船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度

徐亞威

摘要：現(xiàn)階段，隨著社會(huì)的發(fā)展，海上運(yùn)輸行業(yè)、海洋作業(yè)平臺的發(fā)展，船舶及海工平臺的數(shù)量越來越多，發(fā)生的海上事故數(shù)量也逐年增多，加上船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析，能夠全面提升船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的合理性，找到最優(yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度配比，從而為海洋安全作業(yè)提供重要數(shù)據(jù)制成。隨著科技水平的提升和結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算和分析水平越來越高。作為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，需要結(jié)合具體的船體模型進(jìn)行分析，從而找到科學(xué)的計(jì)算分析方法。

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

引言

在船舶的結(jié)構(gòu)開發(fā)、生產(chǎn)以及應(yīng)用的過程當(dāng)中，工作人員為了能夠?qū)⑵浞€(wěn)定性和安全性提升上去，都必須對船舶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的評價(jià)，而伴隨著如今海洋工程行業(yè)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，對于船舶的生產(chǎn)也提出了更高的要求。為了全面的保障海洋工程的安全性，應(yīng)該使用進(jìn)強(qiáng)度比較高的建設(shè)材料，而這也是保證質(zhì)量的有效依據(jù)。本文就對船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限其強(qiáng)度進(jìn)行分析，供參考。

1海洋工程結(jié)構(gòu)極限的具體狀態(tài)

船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)有一個(gè)比較明顯的表示方式就是，總體結(jié)構(gòu)遭到破壞和崩潰，而這和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有著直接的關(guān)系，也和其承載能力有著很大的聯(lián)系，一般情況下，成本的外殼中包含了飛機(jī)的機(jī)身，和潛艇的外表，其荷載一般都存在于薄膜之上，對于這樣的結(jié)構(gòu)框架，其極限荷載一般都可以直接用對應(yīng)的公式去計(jì)算出來，也可以進(jìn)行大致的估算。但是，因?yàn)榇昂秃Ｑ蠊こ痰慕Y(jié)構(gòu)當(dāng)中，有很多的零件和小部件，這些都是實(shí)現(xiàn)船舶與海洋工程結(jié)得以運(yùn)行的重要組成部分。這些部件都承擔(dān)著非常大的彎矩，再加上在運(yùn)行的時(shí)候會(huì)受到很多外力的干擾，有的部件難免會(huì)受到損傷，這樣一來，就使得部件的強(qiáng)度受到了影響。但是，因?yàn)檫@樣的損傷并不是在一瞬間就造成的，需要一定的時(shí)間，其斜率也不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)降到零，所以，船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)當(dāng)中的一些部件還是可以繼續(xù)承擔(dān)受力。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，損傷程度也會(huì)漸漸增加，其斜率也會(huì)上升，當(dāng)達(dá)到?jīng)]有辦法承擔(dān)的量時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)坍塌。這個(gè)時(shí)候，把船舶和海洋工程當(dāng)中部件的幾何和非線性材料所生產(chǎn)的影響考慮進(jìn)去的話，就可以使用到對應(yīng)的荷載量上，增強(qiáng)原本的荷載量，再把原先就存在的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了優(yōu)化，并同時(shí)將部件的損傷情況具體考慮進(jìn)去，工作人員就可以得到一個(gè)較為完整且具體的極限強(qiáng)度數(shù)值。

2船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析

2.1對復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性分析

因?yàn)榭紤]到船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多變性，對船舶進(jìn)行系統(tǒng)而完善的分析是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。基于船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)都是復(fù)雜性結(jié)構(gòu)，因此他們具備多種失效途徑和失效模式。如果采用一般的枚舉法進(jìn)行搜索就會(huì)引發(fā)系列爆炸性問題的產(chǎn)生。另外，為了解決失效模式下的結(jié)構(gòu)性問題就必須生成真實(shí)可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)來做依靠。一般情況下，當(dāng)船舶載重的隨機(jī)變量的變異性大于船體本身結(jié)構(gòu)變量的變異時(shí)，就可以運(yùn)用搜索系統(tǒng)的失效途徑確定其結(jié)構(gòu)。近幾年，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的大力發(fā)展，人工智能化技術(shù)引入到搜索系統(tǒng)之中，從根本上提高了分析的可靠性以及計(jì)算效率。

2.2破壞法的計(jì)算流程

在逐步破壞法的計(jì)算上，主要可以分成兩個(gè)流程，即休斯法與有限元法，首先，休斯法就是指的通過對公式的計(jì)算，以及對船舶加筋板單元的研究，發(fā)生其中存在的實(shí)際應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系之后，再對海洋工程結(jié)構(gòu)中的所有部件實(shí)際狀況進(jìn)行計(jì)算，得出造成故障出現(xiàn)的主要原因。工作人員需要把模型劃分成為大部分的加筋板單元和角單元，這樣有助于工作人員得到準(zhǔn)確的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)。然后，工作人員要選擇一個(gè)損傷比較明顯的加筋板單元，并對所有的單元應(yīng)變能力進(jìn)行計(jì)算，在對船舶斷面力平衡方程創(chuàng)立之后，工作人員就能夠更為明確的將所有的單元應(yīng)變能力計(jì)算出來。隨后，工作人員需要進(jìn)行疊加計(jì)算，因?yàn)榀B加計(jì)算能夠增強(qiáng)彎矩計(jì)算的精準(zhǔn)度，在經(jīng)過完整的計(jì)算之后，工作人員可以和之前的總彎矩?cái)?shù)值進(jìn)行對比，從而得到最后的船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度值。其次，有限元法主要是對船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算的，在船舶的加筋板單元產(chǎn)生任何的損傷之后，就會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的變形或者是較大的撓度，其應(yīng)力以及應(yīng)變關(guān)系等都會(huì)將其非線性關(guān)系的復(fù)雜性表現(xiàn)出來，而船舶材料的非線性等對于加筋板單元非線性而言有著比較嚴(yán)重的影響。正常情況下，在所構(gòu)建出來的模型加筋板單元當(dāng)中，其外表和取向都會(huì)產(chǎn)生巨大的變化，從而使得模型中的加筋板剛度會(huì)出現(xiàn)一定的改變。不僅如此，船舶與海洋工程的結(jié)構(gòu)建設(shè)過程當(dāng)中，最為關(guān)鍵且主要的環(huán)節(jié)就是材料的使用，通常都是使用的金屬材料，但是，因?yàn)榻饘俦緛砭陀兄苄缘奶卣骱蛢?yōu)點(diǎn)，這能夠給船舶的結(jié)構(gòu)、外表構(gòu)造帶來比較大的好處，比如，金屬的塑造性使得船舶在受到?jīng)_擊或者撞擊的時(shí)候都不容易變形。工作人員在進(jìn)行計(jì)算之后，需要將一部分的非線性特征加入到非線性研究范疇之內(nèi)，從而對一些比較復(fù)雜的非線性對象進(jìn)行合理且科學(xué)的研究。在對非線性進(jìn)行研究的時(shí)候，最常用到的方法有牛頓-拉普森法、弧長法等等，對于這些非線性框架的研究上，必須要對近似線性方法進(jìn)行合理的實(shí)施才可以對其進(jìn)行完整的處理，在我國實(shí)際的研究過程當(dāng)中，最常見也最常用的處理方法就是牛頓—拉普森方法，在經(jīng)過改善之后，也出現(xiàn)了牛頓迭代方法。而在研究的時(shí)候，使用進(jìn)牛頓一拉普森方法可以對船舶與海洋工程的荷載與斜率進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)出現(xiàn)的斜率比較大時(shí)，還可以進(jìn)行一定的收斂。工作人員也應(yīng)用進(jìn)了牛頓迭代方法，這種方法也有著一定的作用，能夠在實(shí)踐中提供比較好的途徑。

2.3船底肋板和扶強(qiáng)材的變形損傷

根據(jù)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析與計(jì)算方法的假設(shè)，可以得知船體整體的縱向結(jié)構(gòu)與其極限強(qiáng)度密切相關(guān)，所以，對于船體底部的肋板以及位于肋板上面的扶強(qiáng)材出現(xiàn)的損壞和變形不需要進(jìn)行太多考慮，只需要對肋板在變形的時(shí)候發(fā)生的能量消耗進(jìn)行關(guān)注即可。船舶底部的肋板變形大致可以劃分為兩側(cè)和中間這兩部分。肋板兩側(cè)部分對由于船體底部受到礁石的碰撞的波及而導(dǎo)致變形，而中間部分則是直接受到礁石的作用力而產(chǎn)生變形。

2.4船舶底部縱桁的損傷變形

船舶底部的縱桁在整個(gè)船體中起著支撐作用，在發(fā)生擱淺事故時(shí)，船舶底部的縱桁由于受到礁石的擠壓，結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致其無法繼續(xù)支撐船體結(jié)構(gòu)。為解決這種問題，可以利用逐步破壞分析法來推導(dǎo)縱桁受力的變形情況，有助于船舶設(shè)計(jì)人員根據(jù)其變形情況加強(qiáng)結(jié)構(gòu)建設(shè)，提高船舶整體的極限強(qiáng)度，保證船舶的行駛安全。

結(jié)語

在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的研究上，工作人員需要建構(gòu)出完整的分段模型，并對分段模型進(jìn)行有針對性的研究與分析，這有助于工作人員對具體的故障、損傷部位進(jìn)行判斷，并精確定位，可以應(yīng)用進(jìn)逐步破壞這一方法來對模型的極限強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。在逐步破壞法之中又包含了即休斯法和有限元法，利用這一方法，來有效的促進(jìn)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，并漸漸促進(jìn)其行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。

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