【摘 要】船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度以及被作為船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的重點(diǎn)研究方向，然而當(dāng)前的研究力度顯然是不夠的，務(wù)必增加研究力度，將極限強(qiáng)度的運(yùn)算和研究運(yùn)用到船體結(jié)構(gòu)的研發(fā)中去。通過不斷的研究和改進(jìn)，才能解決當(dāng)前航海運(yùn)行中的實(shí)際問題?？偠灾?，船舶與海洋工程的結(jié)構(gòu)研究是與人們息息相關(guān)的研究命題。它可以為船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改善提供強(qiáng)有力的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】船舶；海洋工程；結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度

引言

近年來隨著海上運(yùn)輸行業(yè)、海洋作業(yè)平臺(tái)的發(fā)展，船舶及海工平臺(tái)的數(shù)量越來越多，發(fā)生的海上事故數(shù)量也逐年增多，加上船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析，能夠全面提升船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的合理性，找到最優(yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度配比，從而為海洋安全作業(yè)提供重要數(shù)據(jù)制成。隨著科技水平的提升和結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算和分析水平越來越高。作為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，需要結(jié)合具體的船體模型進(jìn)行分析，從而找到科學(xué)的計(jì)算分析方法。

1 結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度基礎(chǔ)內(nèi)容概述

極限強(qiáng)度主要是指船體結(jié)構(gòu)能夠抵抗整體船體剛度和承載能力完全喪失的最大承受能力和水平。當(dāng)船舶在運(yùn)行過程中要盡可能避免受到外力作用達(dá)到極限狀態(tài)，一旦到達(dá)一定程度的破壞，就要立即采取防護(hù)措施進(jìn)行急救，從而避免發(fā)生海上作業(yè)事故。在對(duì)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算和分析是非常重要的步驟，通常情況下對(duì)構(gòu)建的船體模型，采取有限元分析的方法得到關(guān)于結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的一些基本元素，比如構(gòu)建屈曲、塑形的數(shù)值，進(jìn)而按照一定的原理和公式核算出結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度。但是這種方式誤差較大、影響因素較多，計(jì)算復(fù)雜，并且耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，所以利用率不高。目前比較常用的分析方法是“逐步破壞法”。具體方法流程在下面進(jìn)行論述，運(yùn)用該方法進(jìn)行計(jì)算，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的計(jì)算和分析過程更加全面地展現(xiàn)出來，對(duì)船體模型的計(jì)算按照橫向和縱向限度分析兩方面進(jìn)行獨(dú)立核算，并且能夠通過數(shù)據(jù)限制和設(shè)定，計(jì)算出相鄰的船體模型的影響情況。該方法計(jì)算方式比較簡(jiǎn)單，通過逐步分段計(jì)算和分析，進(jìn)而進(jìn)行整合計(jì)算，能夠大大提升計(jì)算和分析的精準(zhǔn)性。結(jié)構(gòu)極限的狀態(tài)分析。極限狀態(tài)本身就是一種比較難以預(yù)測(cè)和分析的過程，對(duì)于結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)判斷，都要根據(jù)明確的特征進(jìn)行確定，從而在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和計(jì)算。該狀態(tài)主要是指整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生崩潰，結(jié)構(gòu)承載功能和總體剛度完全喪失，這個(gè)狀態(tài)的判定不是線性變化的過程，所以要根據(jù)整個(gè)破壞情況和結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛性強(qiáng)度變化情況，采取逐步破壞方法進(jìn)行分步計(jì)算，從而確保核算準(zhǔn)確。

2 船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算方法概述

為了能夠更好地了解船舶與海洋工程的結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度狀態(tài)，必須要使用逐步破壞法，直接計(jì)算法的方式，來計(jì)算并研究船舶結(jié)構(gòu)構(gòu)件的被破壞情況，進(jìn)而完善并更新好船舶結(jié)構(gòu)模型，使用增量荷載的方式針對(duì)結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。因此，結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算的要求非常高，計(jì)算的步驟也很復(fù)雜，人們需要對(duì)船舶模型展開有限元理論的計(jì)算和分析，從而獲得船體結(jié)構(gòu)模型的變形數(shù)據(jù)和屈服數(shù)據(jù)，不過有限元算法的缺點(diǎn)就是運(yùn)算量比較大，造價(jià)成本也比較高，所以并不能很好地進(jìn)行推廣。目前，應(yīng)用最多的計(jì)算方式，則要數(shù)“逐步破壞法”，能夠很好地提升海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的精確性，它的優(yōu)點(diǎn)是可以針對(duì)船體模塊進(jìn)行橫向崩潰與縱向崩潰間的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而獲得船舶結(jié)構(gòu)尺寸，使得兩個(gè)彼此相接近的橫向剛架可以在縱向方向上崩潰。逐步破壞法原理就是可以讓船舶海洋工程中船體模型的橫向部分，可以在臨界的中垂過程或是中拱過程當(dāng)中發(fā)生崩潰，使得船舶結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的計(jì)算能夠在某一具體分段上進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。

3 船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析

3.1 對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性分析

因?yàn)榭紤]到船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多變性，對(duì)船舶進(jìn)行系統(tǒng)而完善的分析是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)?；诖昂秃Ｑ蠊こ探Y(jié)構(gòu)都是復(fù)雜性結(jié)構(gòu)，因此他們具備多種失效途徑和失效模式。如果采用一般的枚舉法進(jìn)行搜索就會(huì)引發(fā)系列爆炸性問題的產(chǎn)生。另外，為了解決失效模式下的結(jié)構(gòu)性問題就必須生成真實(shí)可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)來做依靠。一般情況下，當(dāng)船舶載重的隨機(jī)變量的變異性大于船體本身結(jié)構(gòu)變量的變異時(shí)，就可以運(yùn)用搜索系統(tǒng)的失效途徑確定其結(jié)構(gòu)。近幾年，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的大力發(fā)展，人工智能化技術(shù)引入到搜索系統(tǒng)之中，從根本上提高了分析的可靠性以及計(jì)算效率。

3.2 對(duì)受損結(jié)構(gòu)和原有工程結(jié)構(gòu)兩者的

安全性分析隨著船舶載體的多變性，近些年所開發(fā)設(shè)計(jì)的工程結(jié)構(gòu)和前幾年的對(duì)比總會(huì)有結(jié)構(gòu)上的變化。也有部分學(xué)者從結(jié)構(gòu)余度的角度出發(fā)，來評(píng)定結(jié)構(gòu)的安全性和完整性。從各個(gè)方面出發(fā)，綜合考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)到投入使用中各個(gè)環(huán)節(jié)安全性和不確定因素，再加上經(jīng)濟(jì)考慮實(shí)現(xiàn)完整性的評(píng)估。另外，對(duì)于船體受損結(jié)構(gòu)的分析也需要在船舶原有的結(jié)構(gòu)上展開分析，得出受損力度和海域情況。也需在分析的基礎(chǔ)上對(duì)以后的運(yùn)行加以考慮，避免類似情況的出現(xiàn)。

3.3 大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性分析

按照以往的分析模式，都是以確定性的概率得出平均值。但是這種方法不能有效的把各種隨機(jī)變量考慮進(jìn)行，因此分析的數(shù)據(jù)具有不確定性。另外，限元法在結(jié)構(gòu)分析中也普遍被運(yùn)用，其中包括一階二次矩有限元法、響應(yīng)面有限元法、點(diǎn)估計(jì)有限元法等。但是，限元法會(huì)使整體分析的數(shù)據(jù)偏大，對(duì)分析結(jié)果造成一定的影響。所以為了解決這個(gè)問題，隨機(jī)邊界元法被廣泛使用，邊界元法的使用使分析數(shù)據(jù)精細(xì)化，大大的降低了計(jì)算量。

4 船舶擱淺結(jié)構(gòu)損傷分析

4.1 船底肋板和扶強(qiáng)材的變形損傷

根據(jù)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析與計(jì)算方法的假設(shè)，可以得知船體整體的縱向結(jié)構(gòu)與其極限強(qiáng)度密切相關(guān)，所以，對(duì)于船體底部的肋板以及位于肋板上面的扶強(qiáng)材出現(xiàn)的損壞和變形不需要進(jìn)行太多考慮，只需要對(duì)肋板在變形的時(shí)候發(fā)生的能量消耗進(jìn)行關(guān)注即可。船舶底部的肋板變形大致可以劃分為兩側(cè)和中間這兩部分。肋板兩側(cè)部分對(duì)由于船體底部受到礁石的碰撞的波及而導(dǎo)致變形，而中間部分則是直接受到礁石的作用力而產(chǎn)生變形。

4.2 船舶外底板和縱骨的變形損傷

當(dāng)船舶出現(xiàn)了擱淺事故的時(shí)候，船舶的外底板的縱骨深度通常會(huì)小于礁石的對(duì)船底的撞擊深度，而且由于縱骨會(huì)受到礁石的擠壓和沖撞作用，直接達(dá)到整體塑形的狀態(tài)，所以在船體的結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度中不能發(fā)揮出任何作用。因?yàn)榭v骨的結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度失效，所以在計(jì)算和分析的過程中對(duì)受到損害的船舶底部的外板也由之前的多個(gè)縱向加筋板單元變換成一塊橫向的加筋板單元。

4.3 船舶底部縱桁的損傷變形

船舶底部的縱桁在整個(gè)船體中起著支撐作用，在發(fā)生擱淺事故時(shí)，船舶底部的縱桁由于受到礁石的擠壓，結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致其無法繼續(xù)支撐船體結(jié)構(gòu)。為解決這種問題，可以利用逐步破壞分析法來推導(dǎo)縱桁受力的變形情況，有助于船舶設(shè)計(jì)人員根據(jù)其變形情況加強(qiáng)結(jié)構(gòu)建設(shè)，提高船舶整體的極限強(qiáng)度，保證船舶的行駛安全。

5 現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)結(jié)構(gòu)部位疲勞節(jié)點(diǎn)打磨的推廣

現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程中針對(duì)一些結(jié)構(gòu)應(yīng)力比較大的部位，為了避免應(yīng)力集中，或者在復(fù)雜的海況下該部位容易發(fā)生疲勞甚至斷裂，除了通過先期計(jì)算增加架構(gòu)的輕度之外，還要在焊接和處理焊縫外觀的時(shí)候，按照抗疲勞節(jié)點(diǎn)去進(jìn)行焊接打磨，同樣也可以增強(qiáng)重點(diǎn)部位的抗疲勞的能力。

結(jié)束語

海上航運(yùn)不斷發(fā)展，船舶設(shè)計(jì)建造技術(shù)不斷提升，我們可以采用有限元計(jì)算分析法、逐步破壞計(jì)算分析法和直接計(jì)算分析法等，增強(qiáng)船舶結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度，保證船舶的運(yùn)輸安全。

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作者簡(jiǎn)介：

李超，性別：男，出生年：198203，學(xué)歷：本科。身份證號(hào)碼：320324198203151596，工作單位：?jiǎn)|中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司。

（作者單位：?jiǎn)|中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司）