船舶破艙后船體剩余強(qiáng)度思考

王文剛

【摘 要】在經(jīng)濟(jì)發(fā)展全球化與國際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易往來密切化的社會背景下，為防止船舶破艙后釀成更大的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡，如環(huán)境污染、沉船事故等，需對破艙后船體剩余強(qiáng)度進(jìn)行充分地評估，以便救援單位制定科學(xué)合理的技術(shù)措施進(jìn)行船舶施救。文章以船舶破艙后剩余強(qiáng)度計算的必要性為切入點，根據(jù)其計算原理，對破損船體的剩余強(qiáng)度進(jìn)行了重點分析，旨在為同行提供借鑒參考。

【關(guān)鍵詞】船舶 破損 剩余強(qiáng)度 計算原理 思考

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和貿(mào)易往來的日益密切，遠(yuǎn)洋船舶在經(jīng)濟(jì)貿(mào)易中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由船舶碰撞所致的船體破損、人員傷亡、貨物損壞、油品泄露等問題尤為突出。一旦船體發(fā)生破損，一方面會減弱船體結(jié)構(gòu)的使用強(qiáng)度；另一方面也會因船舶內(nèi)進(jìn)水導(dǎo)致舷外水載荷與最終懸浮狀態(tài)發(fā)生改變。由此可見，有必要加強(qiáng)對船舶破艙后的剩余強(qiáng)度進(jìn)行研究。

1船舶破艙后船體剩余強(qiáng)度分析的必要性

不論從船舶的經(jīng)濟(jì)性因素、安全性因素，還是從環(huán)境保護(hù)的角度來看，研究船舶破艙后船體的剩余強(qiáng)度，有利于對船體的剩余強(qiáng)度進(jìn)行快速合校核，有利于保障海上生命的安全，有利于提高救援工作效率。

2船舶破艙后船體剩余強(qiáng)度的有限元法理論

2.1有限元法的分類

有限元法可分為非線性有限元法與線性有限元法兩類。本文對船體結(jié)構(gòu)破損的研究主要通過非線性有限元法進(jìn)行。

非線性有限元法又可分為三類：第一，材料非線性，因始終假設(shè)以無限小量為位移分量，非線性結(jié)果則僅由應(yīng)變關(guān)系與應(yīng)力關(guān)系而得出，所以，仍舊能夠使用應(yīng)變與應(yīng)力對其進(jìn)行描述。但材料的應(yīng)力與應(yīng)變性質(zhì)容易受環(huán)境溫度、加載歷史、加載時長等的影響；第二，幾何非線性，由于非線性關(guān)系始終發(fā)生在位移之間，所以容易產(chǎn)生幾何非線性；第三，狀態(tài)非線性，狀態(tài)非線性多由系統(tǒng)剛度與邊界條件所致，譬如摩擦、接觸等。因系統(tǒng)狀態(tài)始終處于變化態(tài)勢，導(dǎo)致系統(tǒng)剛度與邊界條件也會不斷地變動，如此即形成了狀態(tài)非線性問題。

2.2非線性基礎(chǔ)原理

對于幾何非線性或材料非線性問題的計算分析，需在對有限個單元進(jìn)行離散分類后，將其簡化為N變量，經(jīng)N個方程組共同構(gòu)成非線性方程組。

Ψ1（1????，αN）=0， ①

ΨN（α1????，αN）=0， ②

公式中，（α1????，αN）代表未知量；Ψ1 ????ΨN代表N維Euclid空間開域D上的實時函數(shù)，它們通常是α1????，αN的非線性函數(shù)。若在其中引用相關(guān)矢量記號，則得出：

=[α1????，αN]T， =[Ψ1????ΨN]T， ③

=[0????，0]

根據(jù)上述方程，可將其簡化為下述矢量方程：

=（ ）= ④

為重點強(qiáng)調(diào)力學(xué)含義，可對方程④進(jìn)行改寫，公式如下：

（ ）= （ ）— = ⑤

公式中 表示尚未明確的節(jié)點位移矢量； （ ）表示節(jié)點力矢量，重點突出內(nèi)力的等效節(jié)點； 代表節(jié)點力矢量，重點突出載荷的等效節(jié)點。非線性問題中任意自由度的平衡，均可根據(jù)上述公式中的矢量方程進(jìn)行核算。從增量方面來說，公式中的 、 均可分別理解為位移矢量增量與載荷矢量增量。

3船舶破艙后船體剩余強(qiáng)度分析

3.1船舶破艙后船體剩余強(qiáng)度指標(biāo)

3.1.1以剖面模數(shù)為基礎(chǔ)的指標(biāo)評估

以剖面模數(shù)為基礎(chǔ)的剩余強(qiáng)度評估定義闡釋可利用公式進(jìn)行表示：

fS=w/wr，其中，w、wr分別代表船舶破艙后船體的有效剖面模數(shù)及具有要求的船舶破艙后船體的有效剖面模數(shù)。

3.1.2以極限強(qiáng)度為基礎(chǔ)的評估

（1）船舶破艙后的破損彎矩與極限載荷相互對比所導(dǎo)至的安全余度：剩余強(qiáng)度因子（Residual Resistance Factor，RRF）能夠?qū)ζ茡p后載荷余度相對于完整狀態(tài)下的極限載荷度進(jìn)行評估，RRF=船艙破艙后載荷極值/完整狀態(tài)下的極限承載能力。若RRF<1，則表示船舶破艙后載荷并沒有超出船體所能夠承受的極限載荷力；若RRF>1，其狀態(tài)則與之相反，在進(jìn)行船舶搶修或拖拽時，既有可能進(jìn)一步破壞船體，造成船舶斷裂。

（2）從提高設(shè)計載荷與破艙后載荷規(guī)范指標(biāo)所導(dǎo)至的安全余度：通過利用系數(shù)（Usage Factor）來對設(shè)計載荷相對于破艙后載荷的余度及極限承載力的安全余度進(jìn)行分析，其公式如下：設(shè)計安全余度：UFD=1—MC/Mt，剪力利用系數(shù)：UFF=（FS+FW）/FC，彎矩利用系數(shù)：UFM=（MS+Mw）/Mc，公式中，F(xiàn)S、FW、MS、Mw、分別代表破艙后船體能夠承受的剪力與彎矩；Mt、MC、FC分別代表極限承載力及規(guī)范之后的設(shè)計載荷。如果剪力、彎矩利用系數(shù)均大于1，則表示設(shè)計載荷低于破艙后船體的載荷，反之，則代表船艙處于安全狀態(tài)。

與剪力與彎矩利用系數(shù)相比，設(shè)計安全余度同樣需將船舶破艙后所能承受的極限載荷與規(guī)范設(shè)計之后的載荷之間的相關(guān)關(guān)系考慮在內(nèi)，其大小則表示安全余度。

3.2規(guī)范設(shè)計載荷計算

（1）船體梁剖面計算：船體梁剖面計算公式如下：W=ak1K2LBD，其中，L、B、D、a、k1、K2分別代表船舶長度；船舶寬度；船型深度；航區(qū)系數(shù)，通常情況下分為A、B、C三級航區(qū)，取值分別為：1、0.85、0.75；系數(shù)，k1=0.303L0.3+36.2/L-0.628；系數(shù)，K2=2.44—2.89Cb+1.4C2b，Cb表示方形系數(shù)，當(dāng)Cb值低于0.6時，取其值為0.6；當(dāng)Cb值大于0.85時，取其值為0.85。

當(dāng)船廠在50m以上時，船體剖面與水平中和軸之間的慣性矩1需大于根據(jù)下述公式所計算的數(shù)值：I=3.5WOL*10-2 cm2*m2。

（2）油船規(guī)范設(shè)計載荷計算：將型船參數(shù)代入，根據(jù)上述公式計算可得： =1.90*10KN*m， =2.18*104KN。

4結(jié)語

綜合上述分析可知，船舶強(qiáng)度研究屬于一項復(fù)雜而精細(xì)的工程項目類型，需考慮諸多因素的影響后進(jìn)行剩余強(qiáng)度的計算，以加快船舶救援速率，減少沉船事故的發(fā)生。

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