船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析

馬永鋒 胡海鵬 卞宇 楊志華 楊峰

摘要：結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的設(shè)計(jì)過程需要構(gòu)建起一個與船體特征相似的模型來實(shí)現(xiàn)對船舶海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的分析和計(jì)算，一般情況下相關(guān)的設(shè)計(jì)人員主要是應(yīng)用對船體模型進(jìn)行有限元分析來實(shí)現(xiàn)對船體模塊極限強(qiáng)度的確定。但是我們需要注意的是這種方法在實(shí)際對船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度進(jìn)行分析的過程中也存在著一定的局限性。

關(guān)鍵詞：船舶與海洋工程；結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度；逐步破壞法

中圖分類號：P75；U661.43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-9129（2018）07-0123-02

Abstract： the design process of the ultimate strength of the structure needs to build a model similar to the ship's characteristics to realize the analysis and calculation of the ultimate strength of marine engineering structure. In general， the related designers mainly apply the finite element analysis of the hull model to determine the ultimate strength of the hull module. However， we need to pay attention to this method， which also has some limitations in the actual analysis of the ultimate strength of ships and offshore structures.

Keywords： ship and ocean engineering； structural ultimate strength； progressive failure method.

1 結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算方法概述

在對整個船舶與海洋工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的計(jì)算和分析常常伴有非常多的計(jì)算內(nèi)容，并且在整個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中并且對于這一個環(huán)節(jié)的要求也最高。盡管相關(guān)的設(shè)計(jì)人員在對船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度進(jìn)行確定的時候可以運(yùn)用船體模型的有限元分析計(jì)算方法對于船體模型的構(gòu)建屈曲和塑形變形方面能夠得到一個相對準(zhǔn)確的測量結(jié)果。但是由于這種方法的計(jì)算量和計(jì)算成本過大，想要得到實(shí)際應(yīng)用便十分困難。因此當(dāng)前正在廣泛使用的計(jì)算方法是逐步破壞法。這種方法主要特點(diǎn)在于計(jì)算量以及計(jì)算成本都比較小，并且在精確程度方面也有較強(qiáng)的保證。

逐步破壞法之所以成為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算的主流方法在于它能夠?qū)ο旅鎯蓚€方面的計(jì)算工作量進(jìn)行簡化，第一，通過制造一定的環(huán)境來將用于結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算和分析的船體模塊轉(zhuǎn)化為滿足計(jì)算過程需要的橫縱方向崩潰的兩種總崩潰模式，來實(shí)現(xiàn)計(jì)算量的減少；第二，通過對相關(guān)的尺寸進(jìn)行限制來實(shí)現(xiàn)相鄰兩個橫向鋼架發(fā)生縱向崩潰。

逐步破壞法的在應(yīng)用到船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析過程中能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)船舶與海洋工程的船體模型在橫向鋼架的臨界分段的中垂過程或者中挑過程發(fā)生崩潰的效果，在這樣的情況下相關(guān)的計(jì)算人員就可以將機(jī)構(gòu)極限強(qiáng)度的計(jì)算工作簡化成對船體某一分段的極限強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算的形式，這種轉(zhuǎn)換的過程能夠在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較高的同時有效的降低計(jì)算的工作量。

2 結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)

從表象進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)屬于一種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生崩潰的現(xiàn)象，這種狀態(tài)之下的結(jié)構(gòu)本身的承載能力和總體剛度都會直接降低為0。在一般情況下經(jīng)常直接應(yīng)用特征值來對殼體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度來進(jìn)行估算或者計(jì)算，但是船舶與海洋工程中經(jīng)常會由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彎矩不斷增加的過程中出現(xiàn)屈曲情況或者屈服情況。一些構(gòu)件和已經(jīng)發(fā)生破壞的構(gòu)件都能夠在一定程度上承載外界剪力荷載，這種破壞的過程并不會立刻導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的彈性剛度消失，而是在外界破壞力不斷增加的過程中一點(diǎn)點(diǎn)的變小，直至消失為0。

3 逐步破壞法

3.1 建立分段模型

對分段進(jìn)行選取的過程中要注意我們所選取的應(yīng)用于模型構(gòu)建的分段是在不利工況下最先出現(xiàn)崩潰的那個部分。構(gòu)成船體模型的所有主要構(gòu)件在骨架間距中都有所包含，正常情況下最先發(fā)生崩潰的位置是在臨界分段添加了筋板的位置。建立分段模型主要是通過對加筋板單元的非線性大撓度進(jìn)行計(jì)算和分析。

3.2 分段基本假定

在這個環(huán)節(jié)中我們可以分出以下幾種假設(shè)，第一種假設(shè)是，假設(shè)由于船體斷面的崩潰使框架板格出現(xiàn)壓縮屈服的情況；第二種假設(shè)是，假設(shè)框架間的梁-柱崩潰應(yīng)力的具體數(shù)值比加上強(qiáng)筋位置的側(cè)傾臨界力和船體整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時刻的臨界應(yīng)力?。坏谌N假設(shè)是，假設(shè)在醇提斷面發(fā)生曲率的變化之后橫斷面的應(yīng)力呈現(xiàn)線性分布的情況。

3.3 破壞力計(jì)算流程

3.3.1 休斯法

這種方法主要是利用休斯公司對加筋板模塊的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行分析和計(jì)算，結(jié)構(gòu)變形的總縱極限彎矩的求取會出現(xiàn)在對結(jié)構(gòu)構(gòu)件中垂情況和中拱情況進(jìn)行分析和計(jì)算完成之后。運(yùn)用休斯法進(jìn)行計(jì)算的過程可以分為以下幾個環(huán)節(jié)：第一個環(huán)節(jié)是將船體模型進(jìn)行離散劃分成多個角模塊和加筋板模塊；第二個環(huán)節(jié)是應(yīng)用有效的方法對船體離散模塊的應(yīng)力和應(yīng)變之間存在的關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確的確定；第三個環(huán)節(jié)是選取在第一個加筋板出現(xiàn)破壞情況船體梁在這個時候的初始曲率；第四，對船體模型全部模塊的應(yīng)變運(yùn)用準(zhǔn)確的方法進(jìn)行計(jì)算；第五環(huán)節(jié)是在我們對船體整體斷面的力平衡方程構(gòu)建完成之后對每個單元的應(yīng)變情況進(jìn)行記錄并將中和軸的位置進(jìn)行進(jìn)一步的確定；第六個環(huán)節(jié)是運(yùn)用疊加計(jì)算求出總的彎矩；第七個環(huán)節(jié)是在對當(dāng)前和先前的總體彎矩值大小進(jìn)行多次比較之后去頂極限的彎矩值。

3.3.2 有限元法

在對船舶與海洋工程船體模型的極限強(qiáng)度進(jìn)行分析的過程中加筋板單元在受到破壞之后會出現(xiàn)大撓度與大變形的情況，這個過程中應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系會呈現(xiàn)出一個較為復(fù)雜的非線性裝填。這個非線性變化出現(xiàn)的主要原因可能是材料的非線性或者接觸非線性以及幾何非線性。運(yùn)用逐量增步的方法進(jìn)行求解可以在非線性分析過程中加入一些非線性特征，這樣能夠更加方便對復(fù)雜非線性問題的分析和研究。

4 結(jié)束語

對船體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算能夠在一定程度上保證船舶與海洋工程的正常進(jìn)行。相關(guān)人員在對現(xiàn)有的逐步破壞計(jì)算方法應(yīng)用的過程中也要不斷探究更加有效的方法來提高計(jì)算的精確度，從而提高船舶船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度，為我國海洋事業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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