浅谈船舶在冲击载荷作用下的可靠性结构设计

浅谈船舶在冲击载荷作用下的可靠性结构设计
摘要：在冲击载荷作用下，技术人员要将其应用到结构设计中，充分发挥其实
际作用。

尤其在船舶装备设计中，冲击载荷作用下的结构可靠性受到了广泛重视。

因为舰船机械结构指标要求的特殊性，功能可靠性的动作问题更为突出，所以，
研究冲击载荷作用下的结构可靠性具有很高的实用价值。

关键词：船舶；冲击载荷；可靠性；结构设计
随着我国海工建设领域的发展，船舶与海上设施的起重设备也呈现大型化、
复杂化，并且形成自港区、沿海向近海、远洋发展的趋势。

船舶起重设备的多元
化发展，也影响了与其相关的船舶结构和有关构件的设计型式。

起重机是典型的船上起重设备，其通常处于两种状态：作业和放置。

出于安
全考虑，起重机通常仅要求在港区或对海浪有良好遮蔽的海域内作业，这在中国
海事局颁布的《起重设备法定检验技术规则》（以下简称《起重法规》）中有明
确的表述。

然而，在放置状态下，船舶往往要在相对恶劣的海况下航行，所以船
上起重机在放置状态下船舶的运动形式，决定了与起重机、起重机放置装置相关
联的船体构件的设计与选取。

影响船体构件的附加载荷，到底在多大程度上受船舶运动型式的影响，其载
荷大小与运动参数之间的量值关系如何，目前有关法规文件并没有给出具体的指引，而这恰恰是船舶设计和船舶运营者非常关心的问题。

本文拟通过典型算例予
以揭示，并提供建议参考。

1冲击载荷与应变率
在冲击载荷作用下，船舶结构的可靠性具有十分重要的意义。

大量的高速设
备和结构中也会存在冲击载荷作用，尤其是在军事装备中，需要基于作战性能以
及相关要求进行分析。

冲击载荷作用下的高加速度结构、杆件，它能保证武器装
备性能与机构强度可靠性。

冲击载荷，在本质上并没有严格界定，因为它与冲击
体的形状、尺寸存在一定关系，只有在载荷作用下，其时间小于被冲击体的自振
动周期的时候，才可以被确定为冲击载荷。

外载荷基于时间变化，在高加速度结
构中，被冲击体上的载荷表现为较短时间内构件产生的变化幅度。

冲击载荷与静
载荷相比，其破坏力较大，所以，对承受冲击载荷的零件不仅要提出较高强度和
硬度，还需要加强冲击的韧性，以免其遭受到严重破坏。

因此，本文主要对船舶
的结构强度耐冲击能力和可靠性进行研究。

2冲击荷载定义
具有一定速度的运动物体，向着静止的构件冲击时，冲击物的速度在很短的
时间内发生了很大变化，即冲击物得到了很大的负值加速度。

这表明，冲击物受
到与其运动方向相反的很大的力作用。

同时，冲击物也将很大的力施加于被冲击
的构件上，这种力在工程上称为“冲击力”或“冲击载荷”（impact load）。

3 Ansys有限元分析的研究
Ansys有限元分析平台是一款功能强大，集成度高的有限元分析平台，可以进行结构、流场、磁场、声场等多种分析，广泛应用于机械制造、航空宇航、土木
工程、水利等领域。

Ansys软件具有以下技术特点：1）支持不同复合场的分析功能；2）Ansys具有复杂物理场优化的功能；3）Ansys具有较高的求解精度和效率；4）有限元求解器丰富，可针对不同仿真环境调用物理模型和硬件配置；5）Ansys
的数据兼容性好，可同时兼容多种数据和文件格式；6）具有强大的并行计算功
能和分布式数据存储功能；7）有多种网格划分选项。

Ansys的有限元分析过程包
括前处理阶段、求解阶段和后处理阶段3部分。

1）前处理阶段。

Ansys有限元分
析的前处理阶段主要指结构件的参数收集，包括结构件的模型参数和载荷参数
（面载荷、体载荷、耦合场载荷、集中载荷等）。

模型自动生成程序可根据Ansys采集的参数，生成参数化的有限元模型。

2）求解阶段。

根据实际的仿真环境，调用Ansys的并行求解器，对有限元模型进行网格划分、边界条件输入和载
荷输入等，进行模型的求解。

3）后处理阶段。

后处理阶段主要用于分析模型在
求解阶段的某个子步或者某特定时间下的结果。

例如，结构静力求解中压力、瞬
态动力学位移、速度与加速度等。

后处理的结果以应力分布图、变形分布图、局
部应力图和应力变化曲线等形式显示出来。

4船舶结构强度可靠性的分析
内河航运和远洋运输业快速发展，船舶工业迎来了发展高峰，船舶的数量呈
指数式增长，同时也造成了海上交通线路的拥挤，船舶碰撞事故时有发生。

船舶
碰撞事故会造成诸多不良的影响，包括船体结构破坏、人员伤亡、燃油泄漏、船
体进水和沉船等，造成巨大的经济损失。

发达国家为了使船舶碰撞事故的危害降
到最低，投入了大量的人力、物力研发船体防碰撞结构。

我国在造船工业上发展
相对落后，更需要花费精力研发船舶抗碰撞、抗冲击结构，提升我国船舶的制造
质量。

4.1可靠性分析
系统与机械零部件的高强度、高可靠性可避免构建发生断裂，从而预防了恶
性事故。

在一些高速运动结构中，受惯力的影响，需要对载荷进行校验，并计算
出强度可靠性，分析出其中存在的强度薄弱环节。

插拔结构是船舶从火箭弹中拔出，其瞬时受力较大，所以，需要对该时刻的船舶结构受力进行计算，并研究其
强度可靠性。

为了进一步确定船舶结构强度的可靠性。

首先，需要确定船舶结构根部的应
力分布情况。

因为导向插根部容易受应力、摩擦力、拉应力、船舶结构等影响，
会产生最大拉力。

所以，在确定船舶结构强度可靠性过程中，需要分析应力分布，其中，还需要确定出应力的决定性因素。

然后，确定船舶结构材料在高应变率下
的强度分布情况，但船舶结构材料为30CrM-nTi，在静载期间，其抗拉强度在
1470MPa以上。

为了对这些因素进行集中计算和分析，需要研究高应变率和塑性，分析设计后期产生的屈服强度。

还要计算船舶结构强度可靠性。

4.2结果仿真
在结构仿真软件中，对船舶冲击载荷的受力分布情况进行仿真，可得到受力
形变图，发现在70s时，材料的形变最大，但是依然处于可控制范围内。

基于以上对冲击载荷作用下的高应变率材料性能的变化进行分析，并采用塑
性分析方法和设计方法，对强度特征值进行了详细研究，分析得出了受力形变的
相关结论，说明机构强度可靠性在一些方面还存在严重不足。

5结语
船舶载重量，通常是指船舶在夏季满载吃水时允许装载可变载荷的最大值。

包括载货量、人员及其行李、粮食、淡水、燃料、润滑油、锅炉水、供应品等的
重量，但不包括固定压载、备件和管系中的液体、给水及锅炉和冷凝器中的水以
及液舱中不能排出的残液，这些都计入空船重量中。

因此，载重量实际上是船舶
夏季满载排水量与空船重量的差值。

基于上文的分析可以发现，对船舶结构设计
时遇到的问题进行研究，不仅需要验证强度的正确性，也要使数据分析的更为准确。

本文采用的冲击载荷作用冲击方法应用可靠，为结构强度计算提供了有效依据，也能使船舶系统结构更加可靠。

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