船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度的計(jì)算技術(shù)研究

周啟學(xué)　任晉宇

摘 要：船舶在水上行進(jìn)的過(guò)程中，所受到的力是非常復(fù)雜的，由于水流的沖擊和船體的重力以及所受的浮力之間的作用，想要計(jì)算船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度是非常困難的，所以在船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算中，一般是采取極限強(qiáng)度計(jì)算法和總縱強(qiáng)度計(jì)算法。船舶的疲勞強(qiáng)度的計(jì)算所面對(duì)的因素更多，所以，采取船舶疲勞強(qiáng)度的校核，以及對(duì)疲勞強(qiáng)度的壽命評(píng)估，是比較系統(tǒng)的計(jì)算方式。本文淺談船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度的計(jì)算技術(shù)。

關(guān)鍵詞：船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;疲勞強(qiáng)度;計(jì)算技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.23.033

隨著人們社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)海洋的探索近乎無(wú)止境，所以各類船舶公司的規(guī)模不斷擴(kuò)大，相對(duì)應(yīng)的傳播修理公司也隨之增加，所面臨的船舶修理任務(wù)也越來(lái)越多。在這種情況下，由于出現(xiàn)的各類問(wèn)題中，如果采取不當(dāng)?shù)男蘩矸绞?，反而?huì)進(jìn)一步降低船舶抵抗風(fēng)險(xiǎn)的能力，甚至適得其反。因此，研究船舶結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，并進(jìn)行計(jì)算分析，然后和船舶的修理工程相結(jié)合，從而提高船舶的修理質(zhì)量，保證船舶結(jié)構(gòu)的安全性。

1 船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

船舶的結(jié)構(gòu)力學(xué)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，就是船體在水中航行的受力甚至變形的情況，而這些在船體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，就會(huì)對(duì)船舶的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)在對(duì)船體結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的情況下，給定外界傳輸?shù)暮奢d，然后進(jìn)行計(jì)算船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為了能夠便于計(jì)算，需要將船舶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，并且控制船舶外界所受到的荷載力，從而利用船舶的理論知識(shí)來(lái)計(jì)算船體在水流行進(jìn)中應(yīng)力、變形的強(qiáng)度計(jì)算。

2 船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與計(jì)算

船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和設(shè)計(jì)建造時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算是一致的，而在船舶的修理中，這些結(jié)構(gòu)仍然是不變的，哪怕是立法和能量法，位移法和矩陣法，都是不曾改變的。所以在這和過(guò)程中可以采取一種結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

2.1 力學(xué)求解

這是船舶結(jié)構(gòu)中比較基礎(chǔ)，也是比較常用的方法之一，原理就是將不能夠?qū)⒖刂频囊蛩厝コ?，形成穩(wěn)定性的靜定結(jié)構(gòu)，如此一來(lái)，就能夠得到想要的方程式，由于去掉不確定因素后，多出現(xiàn)的變形方程式和元老結(jié)構(gòu)的方程式基本相同。以n為未知力，則會(huì)出現(xiàn)“力法正則方程式”。

2.2 以位移法求解

以位移法求船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，是比較全面的，主要是利用節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的設(shè)定，延后利用節(jié)點(diǎn)的一個(gè)斷面彎矩的一個(gè)平衡條件，一次來(lái)進(jìn)行求解工作。它的基本原理可以理解成從結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)找到可轉(zhuǎn)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，然后對(duì)轉(zhuǎn)角的節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行約束的作用;然后再對(duì)這些節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行迫動(dòng)，使之轉(zhuǎn)角，然后根據(jù)具體的方程式列出桿端彎矩，最后再建立各個(gè)節(jié)點(diǎn)的方程式，從而得出正確的答案。

2.3 總縱強(qiáng)度的計(jì)算

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于船舶的總強(qiáng)度計(jì)算是有標(biāo)準(zhǔn)的，第一就是在試驗(yàn)中，將船舶放置在已經(jīng)準(zhǔn)備的模擬環(huán)境的波浪中，暫定船舶是在波浪中行進(jìn)，且行進(jìn)的方向與水流的方向一致，如此，傳播和水流就處于相對(duì)靜止;第二同樣是船舶放置在已經(jīng)模擬好的環(huán)境中，標(biāo)準(zhǔn)的波形以二維坦谷波，這樣，船長(zhǎng)即波長(zhǎng)，只需要按照相關(guān)的計(jì)算即可以進(jìn)行。第三是在取極限值進(jìn)行計(jì)算，即波峰與波谷兩種極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

如此一來(lái)波浪彎矩和波浪切力都可以得到計(jì)算。

總的來(lái)說(shuō)，總縱強(qiáng)度的計(jì)算是基于船體機(jī)構(gòu)多個(gè)部件的受力計(jì)算，由于船體是多部件組成，因此，在計(jì)算中對(duì)船體結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行中的受力和傳力進(jìn)行合理化的分析，進(jìn)而確定船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。以橫骨架式為例，如果假定傳遞只有水的力量，那么承受水的力量必然是船體下面的底板，然后底板在依次橫固，再傳入船體的各個(gè)結(jié)構(gòu)。若已、以縱骨架式為例，仍然假定船體只收的水的力量，那么水的力量仍然是傳遞給外底板，外底板在依次傳遞給縱骨，然后是板架。所以，總縱強(qiáng)度的計(jì)算，通常要考慮各構(gòu)件之間力的傳遞，在力的傳遞中船體發(fā)橫變形或者是彎曲，這是產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力方能進(jìn)行計(jì)算。

3 船舶疲勞強(qiáng)度

船舶的疲勞強(qiáng)度主要是指船舶在實(shí)際的運(yùn)行當(dāng)中，船舶的結(jié)構(gòu)因?yàn)槭艿搅Φ挠绊?，?dǎo)致在船體在周期內(nèi)受到破壞。而且船體不管是有無(wú)裝載運(yùn)行，或者是大風(fēng)大浪的影響，都會(huì)受到額外的傷害，這種傷害常年雷擊，就會(huì)造成船舶疲勞強(qiáng)度的嚴(yán)重影響，進(jìn)而影響船體的質(zhì)量。事實(shí)上，船體的疲勞程度和船體的材料、承受力度、使用壽命等方面有著密切的聯(lián)系。因此，在船舶疲勞強(qiáng)度的計(jì)算中，迄今為止還沒有一個(gè)明確的算法，但是可以對(duì)船舶疲勞強(qiáng)度進(jìn)行一定的估算，從而大致計(jì)算出船舶的疲勞強(qiáng)度，以延長(zhǎng)船體的結(jié)構(gòu)的壽命。

3.1 仿真軟件計(jì)算法

現(xiàn)階段主流的仿真軟件有很多，但大體上都是軟件的本身存在著很多的龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠滿足各類實(shí)驗(yàn)的需求。以Multisim仿真軟件為例，Multisim仿真軟件主要是應(yīng)用在電路上的各種仿真模擬上，包括電路的設(shè)計(jì)和測(cè)試以及分析等方面實(shí)驗(yàn)，能夠直觀的展示電路的運(yùn)行狀態(tài)，給學(xué)生帶來(lái)明確的知識(shí)傳遞。Multisim仿真軟件內(nèi)部蘊(yùn)含的技術(shù)是非常多的，涉及電路的多方面領(lǐng)域的知識(shí)和原理，電路自動(dòng)控制、電路模擬和危機(jī)接口電路都是其中的一環(huán)。Multisim仿真軟件有著豐富存儲(chǔ)量的元件庫(kù)，不僅能夠滿足在不同條件、不同情況下的實(shí)驗(yàn)，也能夠保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的逼真性，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。

3.2 斷裂力學(xué)方法

一般來(lái)說(shuō)，研究船舶的疲勞強(qiáng)度，很大程度上就是建立在船舶疲勞斷裂的問(wèn)題上，只有這樣，才能精準(zhǔn)的進(jìn)行船舶疲勞值的一個(gè)估算。這其中船舶的斷裂力學(xué)方法就是一種非常有效的措施。斷裂力學(xué)法，是基于Paris裂紋擴(kuò)展的一個(gè)法則，具體主要是在模擬中，假定船體的裂痕存在，（事實(shí)上，不管任何材料，從微觀意義上講都是由裂痕的存在的），那么在外力的不斷作用下，研究裂紋的一個(gè)擴(kuò)展的過(guò)程，從而判斷裂紋的產(chǎn)生對(duì)于船體疲勞強(qiáng)度的影響。

3.3 S-N曲線

S-N曲線法是通過(guò)無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行累計(jì)，從而研究出各種船舶結(jié)構(gòu)中的S-N曲線，能夠從很大程度上反應(yīng)船體疲勞程度的一個(gè)損傷，反應(yīng)船體在運(yùn)行中剩余的一個(gè)船體的壽命，并且還能夠求出船舶結(jié)構(gòu)中疲勞分析的強(qiáng)度。所以，S-N曲線又被稱為應(yīng)力幅值曲線，是反應(yīng)船舶疲勞壽命的直觀曲線。所以，在實(shí)驗(yàn)中，以S為交變應(yīng)力的應(yīng)力幅值，那么N自然就代表著在這種力度作用下船舶被破壞的應(yīng)力的一個(gè)循環(huán)次數(shù)，也就是我們想要求的疲勞壽命。事實(shí)上，這種實(shí)驗(yàn)由于還存在設(shè)不確定性，因此有可能最后求出的預(yù)算值會(huì)有所偏差。比如說(shuō)在試驗(yàn)中模型是否真的能代替實(shí)際的船舶;船舶疲勞性的誤差以及疲勞書記的統(tǒng)計(jì)中的形式分布，都會(huì)影響S-N的數(shù)值?，F(xiàn)階段比較成熟的曲線坐標(biāo)中，都是一下兩種模型曲線：

在這其中A是低周常數(shù)，C是高周曲線中的常數(shù)，m是低周曲線的倒數(shù)，r是高周曲線的倒數(shù)。

3.4 隨機(jī)荷載和疲勞累計(jì)模型

隨機(jī)荷載和疲勞累計(jì)模型也是比較常用的船舶疲勞強(qiáng)度預(yù)估辦法，由于船體結(jié)構(gòu)是一直處于疲勞荷載的狀態(tài)，因此交變應(yīng)力會(huì)持續(xù)增強(qiáng)，逐漸累計(jì)的對(duì)船舶的疲勞強(qiáng)度造成損傷。一般來(lái)說(shuō)船舶的隨機(jī)荷載是由波浪、撞擊、發(fā)送機(jī)或者是螺旋槳、已經(jīng)船底輕微的觸碰等。疲勞積累損傷也是基于S-N的曲線，服從者很多密度函數(shù)。總的來(lái)說(shuō)隨機(jī)荷載和疲勞累計(jì)模型設(shè)計(jì)到的疲勞強(qiáng)度的計(jì)算也是非常多的，就不一一列舉。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)各種航行經(jīng)驗(yàn)，船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度是船舶的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中不可繞過(guò)的一個(gè)要點(diǎn)，關(guān)系到船舶的質(zhì)量和使用壽命。因此，我們要在設(shè)計(jì)中重視這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算和疲勞強(qiáng)度的估算，來(lái)設(shè)計(jì)中性能優(yōu)良的船舶。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳伯真，胡毓仁.液化氣體船液艙結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性分析[J].中國(guó)造船，1993（03）：69-80.

項(xiàng)目名稱：互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程水下機(jī)器人的研發(fā)及其應(yīng)用研究

項(xiàng)目編號(hào)：B2018495

作者簡(jiǎn)介：周啟學(xué)（1966-），男，湖北天門人，本科，研究方向：船舶工程技術(shù)、高職教育研究。

*為通訊作者