浅谈船舶与海洋工程结构极限强度

周进 马庆斌

扬州中远海运重工有限公司 江苏 扬州 225200

摘要：在对海上工程钢结构进行极限强度研究时，相关研究人员为了能够为研究提供实验参考，通常有会根据研究主题来构建相应的船舶模型以确保其真实性。研究人员在对船舶模型中钢结构的极限强度进行研究时，通常把有限元理论用于分析上面，以更好地评估海上工程中钢结构的极限强度，并为航运业提供有效的数据支持。

关键词：船舶和海上工程，结构，极限强度

引 言：船舶和海上工程的极限强度计算不仅需要简单的材料强度计算，还需要许多其他方面的资料支持。研究人员在进行材料强度计算过程中，通常需要先建模，并且通过模拟和有限元计算获得船体的实际结构强度。当然，这种建模的方法也有其缺点，就是在实际使用中需要与其他技术配合使用。作者介绍的本文主要是从船舶和海上工程强度设计中要考虑的问题入手，并解释了计算方法和极限强度要求，希望能帮助更多的设计师并为研究人员提供具体建议。

一、结构极限强度基础内容概述

科学上对极限强度的定义指的是船体结构可以承受的总船体刚度和承载力完全丧失的最大承载能力和水平。在船舶的营运中，必须尽可能避免外力到达极限状态，如果船舶在某种程度上受到损坏，则必须立即采取保护措施，采取紧急措施，以防止海上事故的发生。计算和分析结构的极限强度是设计船舶和海上工程结构的关键步骤。通常，有限元分析用于获得结构极限强度的一些基本元素。根据建筑船体模型屈曲和成形的数值（例如构造）以及某些原理和公式计算结构的极限强度。但是，该方法误差大，影响因素多，计算复杂，费时，因此利用率不是很高。当前，最常用的分析方法是“渐进破坏法”。具体方法流程如下所述，这种计算方法可让 更全面地显示计算和分析结构极限强度的过程。船体模型的计算是根据横向和纵向极限分析独立计算的。这种方法的计算方法比较简单，经过分步计算和分段分析后的综合计算，可以大大提高计算和分析的准确性。对结构限制进行状态分析。极限状态本身是一个较难预测和分析的过程，必须根据清晰的特性确定结构的极限状态，并以此为基础进行分析和计算。该状态主要是指整个系统的崩溃以及结构承重功能和整体刚度的完全丧失，对该状态的判断不是线性变化的过程，因此应采用渐进式破坏方法。根据整体破坏情况和结构构件刚度的变化逐步进行计算，以确保计算准确。

二、结构极限强度计算方法概述

船舶和近海工程结构的极限强度计算和分析是整体结构合理设计中最棘手，最复杂的环节。采用船体模型的元素分析，可以获得更准确的船体模型构件屈曲和塑性变形的测量结果，从而可以准确地计算出船体模型的极限强度。在计算过程中，计算成本较高，不利于推广实际应用。用于计算船舶和海上工程结构极限强度的渐进破坏方法极大地简化了计算工作量，同时确保了极限强度计算的准确性。作为传输和海洋工程结构极限强度的主流计算方法，渐进破坏方法主要是通过对侧向塌陷和纵向塌陷进行简化而得出的新的计算方法。渐进破坏法通过在偏转或中间拱形过程中使船舶和海上工程船体模型的横向刚性框架的关键部分塌陷，简化了用于最终纵向计算的机构最终强度的计算。计算工作量大大减少，确保了计算船体某些部分强度的结果的准确性。

3. 船舶与海洋工程结构极限强度分析

1. 对复杂结构系统的可靠性分析

研究人员出于海洋和海洋工程结构系统的复杂性和多样性的考虑，使得对容器进行系统且完整的分析成为必不可少的环节。船舶和海上工程结构都是复杂的结构，因此存在多种失效路径和失效模式。当人们使用常规枚举方法进行搜索时，会导致一系列爆炸性问题的出现。因此，人们为了解决故障模式下的结构问题，就必须生成可靠的技术数据。一般情况下，当船舶负荷的随机变量的变异性大于船体本身的结构变量的变异性时，工作人员就可以使用导航系统的失效路径来确定船舶的结构。近年来，随着计算机技术的积极发展，科研人员将人工智能技术引入到搜索系统中，这从根本上提高了分析的可靠性和计算的效率。

2. 大型复杂结构的随机性分析

根据先前的分析模型， 可以得出具有一定概率的平均值。但是，分析的数据是不确定的，因为该方法不能有效地考虑各种随机变量。另外，结构分析中通常使用有限元方法，例如第一和第二矩有限元方法，响应面有限元方法以及点估计有限元方法。但是，由于有限元法使整体分析数据过大，这就会对分析结果产生一定的影响。而随机边界元法就可以很好的解决这个问题，并且通过使用边界元法，可以细化分析数据并大大减少计算量。

四、极限强度分析方法

（1）逐步破坏。这种方法利用了船体结构的材料特性和结构损伤的原理。一般而言，船体结构在使用过程中不会立即就损坏，船体结构的破损是会经历从小到大，从简单到复杂的逐渐损坏过程。使用平面截面假设，渐进破坏的增量曲率方法可以得出纤维应力-应变关系，该关系可以用来解释由于屈曲而对增强板造成的损坏。研究人员通过使用单元弹性与应变的非线性有限元分析来获得单元的平均应力-平均应变关系。

（2）有限元。有限元是一种非常重要的计算方法，这种计算方法不仅可以应用于任何类型的结构或荷载，该方法还可以响应和分析单个结构，例如剪切，弯矩和船体扭矩。 研究人员在使用有限元对四艘或四艘以上船舶的极限强度进行计算时，研究人员通过计算每艘船的有限元模型的载荷状态，得出最终结果是塑性的效应，即后屈曲和屈曲元素。

（3）直接计算。直接计算是使用船体横截面的总塑性弯矩来估计船体的纵向极限强度，以考虑结构屈曲的影响。由于直接计算的想法既没有考虑到加强板的压应力问题，也没有考虑到由于横截面应力导致的压应力的重新分布以及超过极限强度后载荷的缩短的问题，因此，直接计算方法的最终结果通常会超过了船体的实际最终强度。

（4）建立分段模型

渐进破坏方法的应用不是随机应用方法，而是具有复杂的系统和系统要求。首先，有必要基于各种有关船舶和海洋工程的已知数据来分析船体模型。每次在进行分析时，只能对特定细分进行分析。因此，在选择船体模型的划分过程中，有必要确保船体模型的划分不是不利的条件。另外，在船体模型的建立和分析中，有必要了解每个分段的组成，例如角单元，加强板单元等，并分析每个组件的主要功能。从主观的角度进行分析，建立分段模型可以基于壁的面内压缩来分析和计算加固板单元的非线性大挠度，最终获得准确的结果。

(5)分段基本假定

在研究船舶和海洋工程中的结构极限状态时，分裂假设在应用渐进破坏方法中的作用非常重要，其主要目的是澄清以下假设。首先，假定船体部分塌陷，并且由于其他原因基本上不存在用于压缩框架面板的声音的主要原因。其次，假设框架之间的梁柱坍塌应力不能客观地超过加劲肋侧的临界点力，也不能超过整个船体结构失衡的临界力。这种情况的存在主要是为了结合实际情况，避免在船舶和海上工程建设中发生“凝渣”工程。

结束语:在研究船舶和海上工程结构的极限强度时，员工必须建立完整的细分模型，并对细分模型进行有针对性的研究和分析，以帮助员工分析特定的缺陷和损坏位置。还可以通过应用判断和精确定位以及渐进破坏方法来计算模型的极限强度。渐进破坏法包括熔断法和有限元法，用于有效地促进船舶和海上工程结构的稳定性和安全性，并逐步促进该行业的发展。

参考文献：[1]王小燕.关于船舶与海洋工程结构极限强度的分析[J].科技与创新.2016（09） 

[2]李帅朝.基于船舶与海洋工程结构极限强度的探究[J].科技展望.2016（31） 

[3]张季.关于船舶与海洋工程结构极限强度的探讨[J].中国高新区.2018（04）