船舶与海洋工程结构分析

船舶与海洋工程结构分析

【摘要】近年来，船舶与海洋工程向着高技术化方向发展。因为它所在的环境条件因素具有一定的复杂和特殊性，加上船舶与海洋工程结构系统本身的庞大和复杂性，让传统的结构力学不能够很好的适应和解决好船舶与海洋工程结构发展所带来的问题。因此，对船舶与海洋工程结构的研究和发展需要从新的角度出发，为船舶结构与海洋工程结构系统打造一个适合二十一世纪的平台，接受新世纪所带来的新的挑战。

【关键词】船舶；海洋工程；结构力学；分析研究

面对高技术海洋平台和高性能船舶的飞速发展，我们对船舶与海洋工程结构的研究，需要面对面对问题，面对挑战，也需要新的结构力学理论去适应船舶与海洋工程结构的需要，向着更专业的发现发展。

1 对船舶在波浪状的载荷计算的流固的耦合理论

流固耦合理论在近年有了一定的发展，它对船舶运动与流体的载荷计算分为频域法和时域法两种。

1.1 频域法

频域法是把系统的输入和输出都假设成简谐量，从而使问题简化成扰动速度势边值求解问题的方法。各类的切片理论成为了应用最为广泛的流体力学方法，其中的线性切片理论对船舶运动理论的发展更是有了巨大的促进作用。新世纪计算机业飞速发展，它对三维流流体动力的计算问题的解决提供了可能，让研究工作从常边界元发展道路高阶的边界元法。

流固耦合问题具有强非线性的特点，因此加强二阶非线性理论的研究就变得十分必要了频域法只能够解析一些弱非线性的问题，在强非线性问题上就需要采用时域法进行解决了。

1.2 时域法

时域法是直接建立一个关于速度势的初值和边值的问题，得到水动的压力和运动响应与时间变化的相关性的过程的方法。

时域法主要用于研究全非线性理论、基于线性自由面的条件方法研究、基于线性分析途径研究。全非线性理论是一种对三维物体与完全非线性物-波的相互作用进行时间积分的方法。线性自由面条件方法的研究主要是把自由面作线性化，做一些波浪增阻、辐射和绕射等问题的计算，这方面研究有着重要的研究价值。基于线性分析途径的研究是通过理论的计算结果，再对瞬时的粘性阻尼力、动浮力等的影响加以考虑，从而求解运动与水动压力的时间过程的研究，这种方

法不能够适应刚体的大幅值运动。

2 有关海上结构物碰撞的计算

关于船舶与海洋工程结构的碰撞问题涉及到船舶与船舶、海洋平台、沙土、桥梁码头等许多方面。一般在碰撞时的结构动力产生的是非线性响应，碰撞时会出现屈曲、塑性变形和撕裂现象，这取决于碰撞体的结构、材料、碰撞的位置角度和碰撞速度等。因为碰撞时有船体的刚性运动并伴有结构物的变形，所以，必须对碰撞进行具体的分析和研究。总体可以将碰撞力学分为外部碰撞力学和内部碰撞力学，其中内部碰撞力学是研究的重点。

对结构碰撞进行研究的基础是塑性动力学，其中内部碰撞力学研究方法主要有刚塑性方法、限元法或者经验公式法。在对碰撞进行分析的前期主要是从能量相等方面出发，使船只碰撞的动能损失和相撞时产生的塑性变形所吸收的能量相等进行问题处理。因为限元法的充分发展，已经能够把碰撞过程进行精细的描述了，但是在计算过程中不能完全的考虑流体与刚性运动的作用。外部碰撞力学就随着需求慢慢的发展起来，并发展出了统一的系统方程用来更详细的描述碰撞过程。

3 船舶与海洋工程结构可靠性和完整性分析

因为船舶与海洋工程结构系统有它独特的主观和客观因素不确定的特点，因此对结构系统进行可靠性和完整性评估变成了一个很重要的分析方面。

3.1 对复杂结构系统的可靠性分析

由于船舶与海洋平台都是板梁进行的复杂结构，所以它们有很多种失效途径和失效模式。若应用一般的枚举法进行搜索就会导致组合爆炸问题。而且，还要解决这种复杂结构的极限失效方程生成的技术问题。一般情况下，当载荷的随机变量变异远远大于这个结构本身的随机变量的变异时，就能够通过确定性结构分析来进行搜索系统的失效途径了。人们还把人工智能的搜索概念加入到可靠性分析，从而大大提高了计算效率。

3.2 有关大型复杂结构系统的随机性分析

在传统的结构分析中，一般都是以确定性的概念得到的平均值点的运算为基础，所以不能很好的考虑各种随机变量所造成的不确定性。限元法是近年来对结构分析最为重要的数值分析方法之一，并且具有非常广泛的应用，其中包括一阶二次矩有限元法、响应面有限元法、点估计有限元法等。但是，有限元法具有全离散的特性，导致了计算量偏大，所以就有人提出了一种随机边界元法这种方法大大的降低了计算量，又实现了半解析法的精度。

3.3 对受损结构和现有工程结构的安全评估

随着科技的发展，现有的工程结构可能与原来的结构设计有了或多或少的变化。近年来，国外学者从结构余度概念提出，来评定现有结构的安全性以及最为经济的维修策略。综合考虑结构系统的设计到使用中的各个安全环节和不确定性因素，再加上经济考虑实现完整性的评估。

4 疲劳与断裂

由于海上波浪起伏不定，海上的结构物业随之产生交变的应力。这种应力在船舶的几十多年的服务期中能够达到108之多，因此很容易导致结构的疲劳破坏，而疲劳破坏也是海上的结构物主要的一种破坏形式。有关疲劳破坏的分析方面分为以下几种：

4.1 有关疲劳失效的衡准问题

疲劳失效的关键问题在于疲劳累计损伤概率。应用传统的线性损伤积累理论方便，但是和实验结果存在一定的偏差，所以才提出了概率描述的方法来创建疲劳损伤积累的模型。

4.2 疲劳强度与载荷概率的模型

因为结构物的疲劳损伤和交变应力的循环次数和幅值大小有关系，所以就需要从随机疲劳载荷的计数方法以及应力的分布规律开始进行讨论。再加上疲劳强度也是有一定的随机性的，所以这个概率模型要从统计实验数据和找出给定应力的范围疲劳寿命的分布规律开始。

4.3 疲劳寿命的可靠性预测分析

这里的疲劳寿命也是一个随机变量，所以我们要以概率积累损伤模型为基础来的到结构的疲劳寿命。对初始裂缝的存在情况，就需要应用概率断裂学的方法进行预测和计算剩余寿命了，然后计算指定寿命下的疲劳可靠性。

4.4 疲劳可靠性分析

在一个复杂的结构系统中，对疲劳失效的可靠性进行估算是一个非常困难的问题。其原因是疲劳失效与载荷谱有密切的关系，并且它还有复杂系统多种失效途径的问题。一般做法是假设一个比较简单的并串联的模型，一一搜索失效的途径，但实际应用中载荷处理不够理想。

5 结语

随着船舶与海洋工程的模块化发展，制造技术的进步，就必须对模块化带来的问题进行充分的研究从而促进船舶与海洋工程新发展。

参考文献：