船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的研究

范吉豪 聶英釗

摘要：為了進(jìn)一步優(yōu)化船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對其結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度展開準(zhǔn)確的分析有著重要的意義?；诖?，本文說明了逐步破壞分析法、有限元法這兩種常用的船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的分析方法，闡述了基于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可靠性分析、基于受損結(jié)構(gòu)與原有工程結(jié)構(gòu)兩者的安全性分析、以及基于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性分析這些實(shí)際分析內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：船舶；海洋工程；結(jié)構(gòu)；極限強(qiáng)度

引言：

現(xiàn)階段，我國船舶與海洋工程得到了高速的發(fā)展，對于出海航行的船只數(shù)量與質(zhì)量有了更多的要求。在這樣的背景下，船舶擱淺事故的避免受到了更多的關(guān)注，相關(guān)人員對于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度更為重視。一旦在實(shí)際的航行中發(fā)生擱淺事故，船舶的各個(gè)位置強(qiáng)度都會(huì)明顯下降，提升了船舶繼續(xù)航行的安全隱患。因此，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員需要重點(diǎn)關(guān)注與掌控結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度。

一、船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的分析方法

（一）逐步破壞分析法

就當(dāng)前船舶與海洋工程的結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析工作來說，逐步破壞分析法是較為常見的一種計(jì)算分析法。對于逐步破壞分析法來說，其能夠準(zhǔn)確的分析船舶與海洋工程的自身特征以及結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)信息的獲取，有著較高的應(yīng)用優(yōu)勢。逐步破壞分析法在實(shí)際的應(yīng)用中需要完成以下幾個(gè)步驟：第一，分段模型的建立。此時(shí)，相關(guān)人員要結(jié)合船舶與海洋工程的實(shí)際數(shù)據(jù)信息完成，并確保每一次研究于分析都在模型的單個(gè)分段范圍內(nèi)。第二，分段的基本假定。在這一過程中，要重點(diǎn)對“船舶斷面發(fā)生崩潰導(dǎo)致框架船板壓縮”、“船舶框架的各個(gè)梁柱的崩潰應(yīng)力不能大于加筋部位任意一側(cè)的臨界點(diǎn)力”這兩項(xiàng)假定進(jìn)行了解[1]。第三，具體的計(jì)算。相關(guān)人員要結(jié)合不同的公式，完成各個(gè)分段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、整個(gè)剖面的總彎矩等的計(jì)算。計(jì)算得出的最高彎矩即為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度。

（二）有限元法

除了逐步破壞分析法外，有限元法也是現(xiàn)階段船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的常用分析方法，該方法具有更廣泛的使用性，能夠應(yīng)用于所有類型的船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)模型中。為了進(jìn)一步分析出船舶與海洋工程的主體結(jié)構(gòu)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種負(fù)荷條件下的極限強(qiáng)度，相關(guān)人員可以將有限元法中結(jié)合正交多向異性板單元、平板單元以及梁單元完成分析。還可以將船舶與海洋工程在扭矩、彎矩、剪力結(jié)合作用下產(chǎn)生的反應(yīng)作為考量的對象，并對結(jié)構(gòu)模型中的單體結(jié)構(gòu)展開整體響應(yīng)分析。

二、船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的分析內(nèi)容

（一）基于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可靠性分析

對于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)來說，其具有較高的多變性與復(fù)雜性，因此，相關(guān)人員在架構(gòu)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)中，必須要展開完善的分析。船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)為復(fù)雜性結(jié)構(gòu)的一種，所以，該結(jié)構(gòu)具有多種的失效模式與失效途徑。此時(shí)，若是相關(guān)人員應(yīng)用枚舉法展開搜索，就會(huì)導(dǎo)致系列性的、爆炸性的問題發(fā)生。同時(shí)，想要更好的解決基于失效模式的結(jié)構(gòu)性問題，就必須要以搜集依托真實(shí)可靠技術(shù)的完善、準(zhǔn)確數(shù)據(jù)信息作為前提。通常來說，在船體本身的結(jié)構(gòu)變量變異低于船舶與海洋工程的載重隨機(jī)變量變異的條件下，相關(guān)人員可以利用搜索系統(tǒng)的失效途徑完成相應(yīng)結(jié)構(gòu)的確定。

現(xiàn)階段，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、人工智能技術(shù)不斷發(fā)展，也的得到了較為廣泛的應(yīng)用。在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度分析時(shí)，通過將人工智能技術(shù)引入到搜索系統(tǒng)中，能夠有效提升極限強(qiáng)度分析的可靠性以及計(jì)算的效率。

（二）基于受損結(jié)構(gòu)與原有工程結(jié)構(gòu)兩者的安全性分析

結(jié)合上文的分析能夠了解到，除了復(fù)雜性之外，船舶與海洋工程的載體及其結(jié)構(gòu)也同樣將原有多變性。相比較來說，近幾年的傳播與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的變化，所以對應(yīng)的結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析也有所轉(zhuǎn)變。有部分學(xué)者與研究人員轉(zhuǎn)變原有的分析切入點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)余度的角度出發(fā)，完成相關(guān)結(jié)構(gòu)完整性與安全性的評定[2]。還要部分學(xué)者與研究人員對船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)投入到使用中的各個(gè)環(huán)節(jié)的不確定因素與安全性展開了綜合性的分析，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益（或成本）完成了結(jié)構(gòu)的完整性評估。

另外，需要相關(guān)人員注意的是，要在船舶與海洋工程原有的結(jié)構(gòu)上完成船體受損結(jié)構(gòu)分析，最終得出海域情況以及受損力度。同時(shí)，相關(guān)人員也要結(jié)合實(shí)際的分析結(jié)果，完成結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的優(yōu)化，避免在后續(xù)的運(yùn)行中再次發(fā)生同樣的問題。

（三）基于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性分析

在傳統(tǒng)的船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的分析中，相關(guān)人員需要結(jié)合確定性概率的平均值完成，雖然這樣的方法具有較高的適用性，但是由于其并未對多種隨機(jī)變量納入考量范圍，導(dǎo)致分析結(jié)果數(shù)據(jù)具有高度的不確定性。結(jié)合上述的分析能夠發(fā)現(xiàn)，有限元法在當(dāng)前船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的分析中得到了較好的應(yīng)用，主要包括響應(yīng)面有限元法、一階二次矩有限元法、點(diǎn)估計(jì)有限元法等等。但是，這種分析方法普遍使得整體分析數(shù)據(jù)偏大，影響了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了完成該問題的有效解決，相關(guān)人員可以應(yīng)用隨機(jī)邊界元法完成分析，確保分析數(shù)據(jù)的精細(xì)化，并進(jìn)一步降低分析計(jì)算工作量。

總結(jié)：

綜上所述，在實(shí)際的船舶與海洋工程設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員需要重點(diǎn)關(guān)注與掌控結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度。通過應(yīng)用逐步破壞分析法、有限元法，結(jié)合基于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可靠性分析、基于受損結(jié)構(gòu)與原有工程結(jié)構(gòu)兩者的安全性分析、以及基于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性分析，降低了船舶實(shí)際航行中發(fā)生問題的概率，降低了安全隱患，提升了船舶與海洋工程極限強(qiáng)度分析的可靠性以及計(jì)算的效率。

參考文獻(xiàn)

[1]徐海軍.關(guān)于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的探討[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（08）：52.

[2]房長帥，楊寧，田振興.基于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的探究[J].珠江水運(yùn)，2018（16）：59-60.

（作者單位：哈爾濱工程大學(xué)）