船舶與海洋工程鋼結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析研究

趙真，陳耀輝，楚光宇，李國杰

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520）

在對海洋工程鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限強(qiáng)度研究時，為了給該研究提供實驗的參考數(shù)據(jù)，通常需要根據(jù)研究的對象構(gòu)建相應(yīng)的船舶模型，保障研究理論的真實性。在船舶模型進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的研究時，主要采取有限元理論的方法進(jìn)行分析，從而更好地評定海洋工程鋼結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度，為海洋船舶事業(yè)提供有效的數(shù)據(jù)資料支持。

1 鋼結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的有限元分析方法

在分析研究船舶鋼結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度時，可以發(fā)現(xiàn)船舶的結(jié)構(gòu)是一個逐步破壞的過程，根據(jù)有限元理論的支持構(gòu)建船舶平斷面的模型，以結(jié)構(gòu)破壞的增量曲率方法進(jìn)行計算分析，可以發(fā)現(xiàn)船舶橫剖面的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化曲線，與鋼結(jié)構(gòu)屈曲變化與屈服變化具有一定的聯(lián)系，因此在研究鋼結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度時，可以將屈曲效應(yīng)的變化歸納到數(shù)據(jù)分析的范圍內(nèi)。

在通過非線性的有限元分析計算后，可以發(fā)現(xiàn)單元塑性的擾度變化與單元平均力的變化是一種應(yīng)變關(guān)系，為了提高計算的精度，可以通過單元平均力—平均應(yīng)變力的準(zhǔn)確性進(jìn)行提高，這樣的有限元分析方法被稱為逐步破壞分析法。

在對船舶進(jìn)行極限強(qiáng)度分析計算時，可以采取有限元的直接計算方法。即根據(jù)船舶的橫斷面塑性彎矩的變形量和船體的縱向底板極限形變量進(jìn)行極限強(qiáng)度的估算。在估算時為了降低結(jié)構(gòu)承載力對結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的影響變化，在進(jìn)行船舶工程鋼結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度估算時，未考慮加強(qiáng)筋單元承載的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，因為在極限強(qiáng)度的前期，加強(qiáng)筋的載荷應(yīng)力會適當(dāng)降低，且載荷受力區(qū)域會重新的分布，因此在進(jìn)行估算時，若是參考了加強(qiáng)筋的載荷數(shù)據(jù)資料，就會提高鋼結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的數(shù)值，給后續(xù)的研究分析帶來一定的影響。

2 船舶擱淺后鋼結(jié)構(gòu)損壞的研究分析

2.1 船舶底板的變形

在研究船舶擱淺后鋼結(jié)構(gòu)的損壞程度工作時，根據(jù)有限元理論對其鋼結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度進(jìn)行解析，發(fā)現(xiàn)了船舶底板的縱向鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接決定了船底整體鋼結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度。由此可以判斷出船舶底板四周的肋板和扶強(qiáng)鋼材，并沒有達(dá)到自有的極限結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，只是在擱淺碰撞的過程中出現(xiàn)了能量的損失。

在研究中還發(fā)現(xiàn)，底板周邊的肋板變形主要集中在肋板的中間區(qū)域和側(cè)邊區(qū)域，在肋板受到礁石的碰撞后，中間區(qū)域直接發(fā)生了形變，而在中間區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響下，側(cè)邊的鋼材也出現(xiàn)了一定的變形。

在研究船舶變形問題時，有限元理論給予了充分的數(shù)據(jù)研究支持，通過對底板、肋板、扶強(qiáng)材的結(jié)構(gòu)變形研究可以發(fā)現(xiàn)，肋板和扶強(qiáng)材料的變形，主要是通過膜拉伸和塑性變形，兩者共同產(chǎn)生了能量的損耗。

2.2 船舶外底板與縱骨變形分析

當(dāng)船舶在礁石區(qū)域發(fā)生擱淺事故時，由于船舶的外底板高度，一般情況下要低于礁石的碰撞高度，因此在碰撞能量轉(zhuǎn)化的過程中，可以發(fā)現(xiàn)船舶的縱骨直接出現(xiàn)了嚴(yán)重的塑性形變，由此可以判斷出船舶鋼結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度，在縱骨結(jié)構(gòu)中發(fā)揮不出有效的保護(hù)作用。由于觸礁導(dǎo)致船舶縱骨的結(jié)構(gòu)失效，在根據(jù)有限元理論進(jìn)行解析計算時，可以將船外底板的多個縱骨結(jié)構(gòu)單元轉(zhuǎn)化為一塊橫向的外底板結(jié)構(gòu)單元，這樣可以很好的控制船舶的制作成本，提高船舶的生產(chǎn)效率。

2.3 船舶底部縱桁的變形研究

船舶底部的縱桁與船舶內(nèi)部的底板，兩者結(jié)合對船體起到了支撐穩(wěn)定的作用。在船舶出現(xiàn)觸礁事故的時候，由于船舶底部的縱桁受到了碰撞礁石的快速擠壓，船舶底部的縱桁出現(xiàn)了一定的形變量。為了科學(xué)地求解出該縱桁變形的具體數(shù)據(jù)信息，在有限元方法的分析計算下，發(fā)現(xiàn)了船舶水下縱桁變形量與觸礁的垂直距離，和實驗?zāi)Ｐ椭须p層底板高度的縱桁極限變形量是相同的，由此就可以判斷出船舶底板的縱桁受損情況，從而判斷出觸礁事故的危害，并采取有效的處理方式，第一時間控制船舶的受損情況，避免事故危害的擴(kuò)大。

2.4 船舶極限強(qiáng)度的解析分析

為了更好地提高船舶在海洋中行駛的安全性與可靠性，要對船舶的極限強(qiáng)度進(jìn)行有效的研究分析，從而合理地優(yōu)化改善船舶的鋼結(jié)構(gòu)的制作性能。在研究船舶極限強(qiáng)度時，首先對船舶的整體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆解分析，從而準(zhǔn)確地分析出船舶上不同區(qū)域的載荷情況，因為載荷量的不同直接影響船舶鋼結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的研究準(zhǔn)確性。

在確定出船舶的區(qū)域載荷后，可以將船舶的載荷進(jìn)行歸納分類，可以分為兩種類型：船舶總體載荷和局部區(qū)域的載荷。其中船舶的整體載荷直接將其載荷力矩施加在船舶的底板區(qū)域，而區(qū)域性的載荷對局部區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生更大的影響，如船舶發(fā)動機(jī)室的底板載荷就明顯高于其他區(qū)域的載荷。

當(dāng)船舶在海洋中行駛時，局部海水對船舶的壓力，也可以歸納到船舶的總體載荷中。在洋面出現(xiàn)波動時，流動的波浪會形成一定的沖擊載荷，而船舶中液體物質(zhì)在晃動的過程中也會產(chǎn)生相關(guān)的載荷應(yīng)力。在對船舶的鋼結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度進(jìn)行研究分析時，波浪引起的沖擊載荷對船舶的極限強(qiáng)度研究數(shù)據(jù)起到了很重要的作用，可以更好地論證肋板和底板、極限強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度之間的數(shù)據(jù)關(guān)系。

在進(jìn)行船舶的鋼結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度解析計算時，根據(jù)有限元理論的研究方法，首先將實驗?zāi)Ｐ偷拇暗钠拭孢M(jìn)行拆解，劃分為若干個小單元。然后，將船舶的縱向底板劃分為一塊整體板和一個加強(qiáng)鋼筋，最后就是將橫向的肋板劃分為一塊板，其余側(cè)邊的區(qū)域可以用硬角單元進(jìn)行替換。在船舶的各個單元劃分后，就可以根據(jù)有限元理論對其單元的關(guān)系進(jìn)行論證計算，從而得出不同單元之間的應(yīng)力關(guān)系，科學(xué)地模擬出船舶的鋼結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度。

3 結(jié)語

綜上所述，為了有效地提高船舶的行駛安全，通過有限元對海洋工程鋼結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度進(jìn)行有效的分析計算，從而根據(jù)分析結(jié)果更好地調(diào)整優(yōu)化船舶的設(shè)計制造方案。