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1、关于船舶与海洋工程结构极限强度的探讨 张 季 / 上海外高桥造船有限公司 摘 要：本 文 主 要以 结 构 强度 为 关 注 的脆性断裂、因应力脉 动的反复作 用而 大的降低了计算量。 点，通 过大 量实 验研 究，进 一步 强化 海 机械化工 洋 工程 结构 中 的极 限强 度。从 现在 所 承 受的极限强度 为基础点，加大受损 力 度 的 研 究，达 到 强 化 结构 极 限 强 度 的 目的。 关 键 词：船 舶 海 洋 工程 结 构 极 限 强度 1 船舶结构分析 一 般 船 舶 主 要分 为 船 壳、船 体 骨 架、夹 板、船 舱等 几部 分构 成。船 壳 俗 称 为船的外壳，它主要
2、用 来阻挡由水 压 力、波 浪冲 击力 等各 种 外部 冲击 力量。 船 体 骨 架 是 由 龙 骨、旁 龙 骨、肋 骨、龙 筋、舭龙骨、船首 柱和船尾柱 构成，它 们 共 同组 成了 船 舶骨 架。 甲 板主 要位 于 内 底板 以上，用 来盖 住 船体 内部 空间， 甲 板 将 整 个 船 体 分 为 上、中、下 三 层。 船 舱是指甲板以 下的用途空 间，包括 货 舱、客舱和 各种专门 用途的船 舱。在 海 上 运输的不断 发展下，船 只的数量越 来 越 多。 相对应的海 上事故也 频频发生， 当 船只发生意 外事故时，其结构强度 也 会发生影响，由此带来更为严重的结果。 2 船舶结构极
3、限强度分析 船舶 在海 上航 行的 过 程中 可能 会 遭 受到各种各样 的载重和变 形，包括 自 重 范围 内的 载 重、超 负 荷载 重、以及 意 外 搁 浅等。 因此，在 前期 设计 中，必 须 将 各种 环境 下会 遇到 的情 况都 考虑 在 内，合理地 考虑其安全 性。一般的船 舶 设 计采用许用应 力设计法，即在安全 系 数 范围内，船体总纵强度 是通过甲板 的 弹 性应 力与 许 用应 力进 行对 比。然 后 这 种设 计理 念在 和名 义垂 向波 浪弯 矩 共 同使用时具有 一定的局限 性，不能 真 实 反映 出船 体结 构的 实际 破坏 的全 过 程。例 如，船 舶在遭遇总
4、纵弯曲下的 破 坏 时，是因 船体两端面上 的某一零部 件 遭 受到 损坏 从而 使船 舶载 重能 力发 生 变 化，使船 舶刚 度受到 影响。极限强 度 的 影响 参数 研究 对于 估算 船体 结构 的 可 靠性 是必 要 的。 箱船 舶 这种 庞大 的 结 构载体， 在整 个设计 研究中，所需 要 的 数据统计很 难得到。因此，可通过 估 算 的方法来获 取。一般，是通过过载 体 产生 的疲 劳断裂 等多 方面 的抗 压能 力 来得出有效数据。 3 船舶与海洋工程结构极限强度分析 3.1 对复杂结构系统的可靠性分析 因 为考 虑到 船舶 与海 洋工 程结 构 系统的复杂性 和多变性，对船舶
5、进 行系 统而 完善 的分析 是必 不可 少的 一个 环 节。 基 于船 舶和 海洋 工程 结构 都是 复 杂性结构，因此他们具 备多种失效 途径 和失 效模 式。如 果采 用一 般的 枚举 法 进行 搜索 就会引 发系 列爆 炸性 问题 的 产生。另外，为了解决 失效模式下 的结 构性 问题 就必须 生成 真实 可靠 的技 术 数据来做依 靠。一般情况 下，当船 舶载 重的 随机 变量的 变异 性大 于船 体本 身 结构变量的变 异时，就 可以运用搜 索系 统的失效途 径确定其结 构。近几年，由 于计算机技术 的大力发展，人工智 能化 技术引入 到搜 索系统之中，从根本 上提 高了分析的可靠
6、性以及计算效率。 3.2 对受损结构 和原有工程结构 两者的 安全性分析 随着船 舶载体的多变 性，近些 年所 开发 设计 的工程 结构 和前 几年 的对 比 总会 有结 构上 的变 化。也 有部 分学 者 从结构余度的 角度出发，来评定结 构的 安全性和完 整性。从各个 方面出发，综 合考 虑结 构系统 的设 计到 投入 使用 中 各个环节安全 性和不确定 因素，再 加上 经济考虑实 现完整性的 评估。另外，对 于船体受损结构的分析也需要在船舶原 有的结构上 展开分析，得出受损力 度和 海域情况。也需在分析的基础上对以后 的运行加以考虑，避免类似情况的出现。 3.3 大型复杂结构的随机性分析
7、 按照以 往的分析模式，都是以 确定 性的 概率 得出 平均 值。但 是这 种方 法 不能有效的把 各种随机变 量考虑进行， 因此分析的 数据具有不 确定性。另外， 限元法在结构 分析中也普 遍被运用，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，限 元法会使整体 分析的数据 偏大，对 分析 结果 造成 一定 的影 响。所 以为 了 解 决 这个 问题，随 机边 界元 法被 广泛 使用， 边界元法的使 用使分析数 据精细化，大 4 船舶在波浪中载重的方法分析 波 浪载 荷是 船舶 结构 结构 中要 考 虑的 重要 的载 荷方 式。对 波浪 载荷 的
8、正确计算是 优化船舶结 构设计，合理评 定船 舶结 构强 度的 重要 前 提。 一般 来 说，船 舶 的 波浪 载 荷 方 式 可以 分 为 两 种：总 体 载荷 和 局 部载 荷。 总 体载 荷 是借助海水 压力，将 海水动压力 沿全船 积分得到。另 外，海 水的压力也 会引起 舱内的晃 动 以及波浪对 船体的回击 力。 从船舶的安 全性角度出 发，波浪 载荷对 船 舶的 极 限 强 度 起到 了 一 定 的 作 用。 另一 个方 面，由于 船体 形状 各 异，波 浪 的形 状不 一以 及波 浪和 船体 碰击 的随 机性，增大了载荷 的计算难 度。 主要计 算方法为：根据波浪诱导运动和波浪载
9、 荷所得到的 相应的函数，然后利 用统计 法对 船舶 运动 和波 浪载 荷进 行短 期预 报；根 据波浪诱导运动和波浪载荷所得 的函 数表、海 浪图、波 浪散 布图 等进 一 步得 出概 率数 据从 而对 船舶 运动 和波 浪载 荷进 行长 期预 报。无 论是 短期 预 报还 是长 期预 报都 是根 据统 计出 的实 际数据进行 计算，从 而达到得到 波浪载 重的设计极值。 5 结 语 船 舶与 海洋 工程 结构 的极 限强 度 以及 被作 为船 舶结 构强 度运 动的 重点 研究方向，然而当前 的研究力度 显然是 不够 的，务必 增加 研究 力度，将 极限 强 度的 运算 和研 究运 用到 船体 结构 的研 发中去。通过 不断的研 究和改进，才能 解决 当前 航海 运行 中的 实 际问 题。 总 而言之， 船舶与海洋 工程的结构 研究是 与人 们息 息相 关的 研究 命 题。 它可 以 为船 舶和 海洋 工程 结构 设计 和改 善提 供强有力的参考价值。 参考文献： 1刘伯运，周 晓松，陈如 木 . 船体 结构 腐蚀 模型 及安 全性 评估 研究进 展 J . 船舶工程， 2017（ 6） :1519. 2陈丹 . 浅谈 极限强 度在船 舶结 构设 计的运用 J . 工程技 术 : 全 文版， 2017 （ 3） :104105. 137