潘伟
江苏佳美海洋工程装备有限公司 江苏 扬中 212221
摘要：船舶的安全性与可靠性直接影响到船舶的运行安全。其中，海洋工程钢结构的强度直接决定了船舶的安全性与可靠性，通过对海洋工程钢结构强度的极限值研究，可以为今后的海洋事业发展奠定一定的理论基础。本文主要就船舶与海洋工程钢结构极限强度进行了相关分析。
关键词：海洋事业；工程钢结构；极限强度；研究分析
1前言
极限强度就是船体结构抵抗整体崩溃的最大能力，当船受外加载荷作用达到极限状态时受到的弯矩为船所能承受的极限弯矩。船的总纵极限强度就是以此极限弯矩为衡量。船的整体崩溃本质上是总体刚度和承载能力的丧失。
极限状态的分析是船舶结构设计的基本任务之一。随着结构分析与设计技术的不断发展，船体结构设计和材料使用都日趋经济合理，船体结构在承受极限环境载荷作用下的最终强度问题就日益突出起来，研究船体结构在极端载荷作用下的整体力学行为和极限强度就成为国际船舶结构力学领域近期的一个热点研究课题。近来，计算机迅速发展颇令人关注，现已可以模拟船舶结构构件和整体的屈曲及塑性崩溃过程的非线性分析。船体板厚也因计算机优化设计和高强度钢的运用而变薄，优化设计甚至可以裁减一些不必要的船体构件。既要优化结构又要保证总体安全度，还能提高经济效益，这就使得准确的计算船体的总纵强度显得更加重要。
2结构极限状态
结构极限状态的一个明显特征就是结构产生崩溃，即结构丧失其承载能力与总体刚度。结构极限状态是一个极其复杂的非线性变化过程。一些壳体结构的极限强度可以直接通过特征值等来估算和计算。而在船舶与海洋工程中，结构构件可能会在不断增加的弯矩作用下发生屈曲、屈服，直至破坏。但是其他构件和已经破坏的构件可以进一步承载外界剪力荷载，这种破坏过程不会使结构的弹性刚度马上变为零，随着外界破坏不断增加，结构构件的刚性强度不断减小，最终结构构件发生崩溃。在这个过程中，只有根据逐步破坏法或者增量法，结合构件破坏情况，通过更新结构模型、采用荷载增量等才能对结构极限强度进行精确的分析计算。
3极限强度的分析方法
3.1 逐步破坏的方法
主要采用船舶结构的材质特点和结构破坏的原理。船舶结构在使用中出现损坏并不是瞬间的，是逐步损坏的过程，都是从小问题发展到大问题，所以通过对平断面假设正逐步破坏增量曲线方式的科学运用，能对纤维应力变化关系进行有效获取，并在描述屈服中对其进行合理地应用。一些相关人士在对单元弹性大绕组挠度予以分析过程中，采用非线性有限元方法，得到单元的平均应变关系，可见应力的应变关系直接决定着这种方法的准确性。
3.1.1 建立分段模型
逐步破坏法的应用，并非是随意应用的方法，而是有着精密的体系和系统的要求。首先，我们要根据船舶与海洋工程的各项已知数据，针对船体模型进行分析。每次分析，只能对某个分段崩溃情况下探。所以需要选择船体模型分段的过程当中，要保证其选择分段性，不可在不利情况进行。除此之外，船体模型的建立和分析当中，应对每一个分段的组成进行了解，包括角单元、加筋板单元等等，分析各个构件的主要作用。从主观的角度来分析，分段模型的建立，对加筋板单元的非线性大挠度进行分析、计算，最终获得准确的结果。
3.1.2 分段基本假定
船舶与海洋工程的结构极限状态，在应用逐步破坏法研究当中，分段假定的作用是非常重要的，主要是明确以下假设。第一，假设船体断面崩溃，造成框架板格发声压缩的主要原因，基本上不存在其他的原因。第二，假设框架间的梁——柱崩溃应力，客观上不可超出加筋的一侧的临界点力，并且不可超出总体船体结构不平衡的临界力。
此条件的存在，主要是为了将现实情况融入，避免在船舶与海洋工程的施工当中，出现“豆腐渣”工程的情况。
3.2 有限元的方法
这种方法的应用效果较为可观，其对加载和结构类型未有要求，应用范围较为广泛，采用正交各向梁单元及异性板单元，可以对结构极限在静态荷载或动态荷载下的强度进行获取，能对单元的结构进行直接分析和响应，在其中纳入船体的弯曲与剪力。通过这种方法，一些业界人士除了对超过4 条船的极限强度予以有效计算，还对每条船的有限元模型荷载情况做出响应的计算，最终所得到的结果也是充分地考虑了屈曲以及塑性效应等。
3.3 直接计算的方法
由于考德威尔通过对船舶的剖面全塑性弯曲进行分析，对其船体的总纵极限强度做出相应地估算，同时也解释了屈曲的影响，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，最终将会超过船体的真实极限强度。
3.4其他的计算分析
针对一些结构模型或者是一些加载类型，运用有限元方法，也是好的选择。比如引入平板单元、梁单元，以及那些正交各向异性板单元，可以实现高效分析结构静态、丛台载荷情况下的极限状态之目标，还能够对单个结构、整体情况所做出的反应进行有效的监控，将船体在弯矩、扭矩、剪力联合等情况下的响应内容纳入到研究系统之中。另外就是直接计算方式，即充分利用受压构件的承载能力来解释对结构屈曲所造成的影响。这种方法也有劣势，比如对于加筋板单元所承受的压应力、截面应力的分布、载荷的缩短行为等缺乏统筹考虑，在估算船体结构总纵极限强度的时候，结果往往偏高一些。
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。
5结语
船舶与海洋工程结构极限强度的计算极其复杂，需要靠建立适当的船体模型来实现。通常采用对船体模块进行有限元分析的方法来计算，但这种计算方法在实际运用中存在一定的局限性。本文主要探讨了在船舶与海洋工程中结构强度方面需要注意的问题，以进一步分析极限强度，为海洋工程工作人员在这方面的研究提供帮助。
参考文献
[1]刘国欢.船体结构强度直接计算方式及结构安全分析[J].船舶物资与市场,2020(12):21-22.
[2]吴彤,裴志勇,吴卫国.船体结构波浪中逐次崩溃特性实验研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2020,44(06):1062-1066.
（姓名：潘伟，性别：男，出生年月：1985.12，民族：汉，籍贯：江苏省扬州市，学历：本科，职称：工程师，研究方向：船舶与海洋工程）