船舶与海洋工程结构极限强度分析

船舶与海洋工程结构极限强度分析

侯晓蕊

天津海油工程技术有限公司 天津 300457

摘要：船舶与海洋工程结构主要采用的是钢结构，钢结构极限强度较高，但是一旦达到其极限强度，会出现脆裂破坏，引发安全事故。所以要建立合理的模型对船舶与海洋工程结构极限强度进行分析，其极限状态是一种非线性的变化过程，要通过模型算法确定最容易出现极限强度破坏的位置，然后对此处进行加强设计，提升船舶与海洋结构的整体强度。

关键词：船舶;海洋工程;结构极限强度;

引言

当前，我国经济实力日渐提升，科技技术水平也随之发展，海洋资源的开发深受国家的重视，海洋不仅可以维护国家安全，同时有着丰富的资源，对海洋进行有效开发与使用是每一个临海大国必须要思考和探索的问题。我国早在“十二五”规划时就对海洋开发进行了部署，同时出台了一系列的规定，全面提升了海洋工程装备脚步。海洋发展是促进我国经济的核心内容，属于国家发展的重要资源，需要分析和探索其装备，这一点十分关键。

1船舶与海洋工程结构极限的具体状态

一切都是有限度的。对于船舶和海洋工程，其结构也有一个具体的边界状态，这种状态的呈现即其结构完全崩溃掉，与结构的能力和力量内容密切相关。船舶结构和海洋工程包括许多小部件和各种部件，这些部件共同确保了船舶的良好运行。对这些零部件应用较高的弯矩时，执行过程会受到不同外力的影响，对部件造成的损坏是不可避免的，并且随着时间的推移，部件的力也会受到影响。在此过程中，某些零部件在执行其原始功能时会受到力的约束，因此损坏会随着时间的推移缓慢增加，船舶和海洋工程部件的几何和非线性材料所产生的影响的组合可用于提高确定的载荷值，然后优化初始结构模型，同时考虑到部件损坏的程度，完整且具体的极限强度数值就会得出。

2船舶与海洋工程结构极限强度计算方法

在设计船舶与海洋工程结构时，为了避免极限强度破坏，要建立合理的模型进行极限强度分析，整个分析计算过程是船舶设计工作中最为复杂的环节。因为在计算过程中，首先要将结构模型化，然后对于影响结构受力分析的参数进行逐步简化，这样才能将复杂的计算过程简化。在计算其结构极限强度时，主要是分析钢结构的屈服强度和塑性变形点，当强度值达到这个临界点时，就是船舶与海洋工程结构的极限状态。为了提升结构极限强度的计算过程，可以用逐步破坏法进行计算。

3船舶与海洋工程结构极限强度破坏法分析

为了提升结构极限强度的计算水平，可以用逐步破坏法进行计算，由于极限强度与船舶荷载存在非线性关系，所以只能用有限元模拟方法进行增量分析，这样才能通过极限的方式确定其结构极限强度。下文具体介绍逐步破坏法的计算过程。

3.1分段模型的构建

在具体运用逐步破坏法的过程中，相关工作者应重视起来，以严格审慎的态度为指引，对体系内容的要求进行持续不断地完善。针对船舶和海洋工程的各类分项数据，应当将其作为重要的依据，继而全面分析船体模型。分析内容可以在分段崩溃的情况进行下探，选择船舶模型分段之时，选择的分段性须确保规避一些不利情况的干扰。执行船体模型的建立与分析工作时，对每一个分段组成，都应当进行全面掌握、全面了解、深入分析。从另一个角度来说，分段模型的构建，对获得准确结果大有助益。

3.2破坏计算流程

在开展破坏的具体流程时，常用的计算方法有休斯法和有限元法，这2种计算方法都比较复杂。1）修斯法主要通过修斯公式计算与分析加筋板单元的应力与应变关系，通过对结构构件中垂情况以及中拱情况的分析计算得出结构变形的总纵极限弯矩。具体流程包括：船体模型离散划分为若干角单元和加筋板单元、确定船体离散单元的应力与应变关系、选取船体梁在第一个加筋板破坏时的初始曲率、计算船体模型全部单元的应变、通过建立船体整体断面的力平衡方程进一步确定每个单元的应变以及中和轴的准确位置、通过叠加计算得出总弯矩、通过多次比较当前与前次总体弯矩值大小最终得出极限弯矩值。2）有限元法有限元法主要是结合前面的分段法将角单元和加筋板单元进行挠度和变形的分析，将整个结构划分为有限的对象，然后分析应力大小与构件之间的关系，确定加筋板单元在极限强度下是否会发生形状的变化，是否会出现破坏。有限元法是将极限状态下连续的结构分为有限的对象，然后对这些对象进行增量分析，计算哪个有限元会率先出现破坏，然后在设计中就对此处加筋板单元进行设计补强，提升船舶与海洋工程结构的安全性和稳定性。现阶段，有限元法在船舶与海洋工程使用上比较成熟和广泛，曹妃甸HYSY-112FPSO新增生活楼模块项目中就使用了有限元对新增结构和现有船体结构进行分析。根据设计图纸搭建新增结构模型，然后根据现有船体结构搭建部分甲板结构。根据操船手册对模型施加使用载荷和环境载荷，环境载荷包括船舶摇摆产生的惯性力以及风载荷，然后对载荷进行组合,然后进行相关工况的各种分析，得出相关计算结果。

3.3直接计算的方法

由于考德威尔通过船舶的横剖面全塑性弯曲对其船体的总纵极限强度做出相应地估算，同时也解释了结构屈曲的影响，但并没有将其加筋板所承受的压力考虑到其中，因此对于这种方法来说，最终结果将会超过船体的真实极限强度。

4船舶搁浅结构损伤分析

船舶搁浅结构损伤，主要分为船舶外底板和纵骨的变形损伤、船底肋板和扶强材的变形损伤等，现做如下分析。

4.1船舶外底板和纵骨的变形损伤

作为在海洋河湖等环境下运行的工具，船舶搁浅时也会有事故。比如外底板纵骨的高度要比礁石的撞击深度低一些，在礁石冲击力的作用之下，纵骨会受到较大的影响，完全塑性的结果往往会发生。继而致使其在船舶极限强度中不会发生作用。当纵骨的效果失去以后，在剖析计算内容之时，可以将原本多个纵向加筋板单元，转化为统一的横向板单元。

4.2船舶极限强度预报和承载预报

船舶结构极限强度的计算会受到船舶承载力大小的直接影响。部分承载和总体承载是承载的2个部分，在分析船舶结构极限强度过程中，以总体承载为主。因为在船舶行驶过程中，船舶受到海上波浪的冲撞会对其承载力进行间接增加，所以在分析计算船舶结构极限强度时，必须在计算范围内纳入船舶的总体承载力。在实际分析计算船舶结构极限强度时，可以采用逐步破坏计算分析法、有限元计算分析法；从局部出发，可以采用直接计算分析法。从整体出发，不管采用哪种方法，都必须保证极限强度数值的准确性，对船舶实际条件予以充分考虑。

4.3船底肋板和扶强材的变形损伤

依循极限强度分析法的具体内容，相关工作者可以假定船舶纵向构件决定了其极限强度，不必再对船舶底板肋板及肋板上的扶强材损伤变形问题进行过多的考虑，把更多的注意力转移到变形过程中的能量耗散方面。肋板的变形，可以是中间部位的变形，亦可以是两侧位置的变形。在礁石的作用之下，肋板的中间部位会产生直接的变形，而肋板的两侧部位也会产生一些变形。至于这些形变量的获取，可以通过模拟软件等工具，以叠加等形式获得较为精准的结果。针对肋板扶强材的变形，要遵循一定的流程，通过塑性弯曲、膜拉伸变形等方法予以耗散掉。

结束语

为了提升船舶与海洋工程结构的稳定性和强度，一定要重视船舶与海洋工程结构的极限强度分析。为了简化这一设计工作，要建立极限状态下的受力模型，再简化计算模型，应用逐步破坏法慢慢进行荷载增量，使得船舶结构最为脆弱的构件出现破坏，在刚好出现破坏时，这个强度是船舶的极限强度。这样准确地计算其极限强度后，可以在设计工作中对船体结构进行加强，提升船舶与海洋工程结构的稳定性。

参考文献

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