船舶与海洋工程钢结构极限强度分析研究

2019-01-16赵真陈耀辉楚光宇李国杰

中国设备工程 2019年12期

赵真，陈耀辉，楚光宇，李国杰

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛 266520）

在对海洋工程钢结构进行极限强度研究时，为了给该研究提供实验的参考数据，通常需要根据研究的对象构建相应的船舶模型，保障研究理论的真实性。在船舶模型进行钢结构极限强度的研究时，主要采取有限元理论的方法进行分析，从而更好地评定海洋工程钢结构的极限强度，为海洋船舶事业提供有效的数据资料支持。

1 钢结构极限强度的有限元分析方法

在分析研究船舶钢结构极限强度时，可以发现船舶的结构是一个逐步破坏的过程，根据有限元理论的支持构建船舶平断面的模型，以结构破坏的增量曲率方法进行计算分析，可以发现船舶横剖面的结构应力变化曲线，与钢结构屈曲变化与屈服变化具有一定的联系，因此在研究钢结构极限强度时，可以将屈曲效应的变化归纳到数据分析的范围内。

在通过非线性的有限元分析计算后，可以发现单元塑性的扰度变化与单元平均力的变化是一种应变关系，为了提高计算的精度，可以通过单元平均力—平均应变力的准确性进行提高，这样的有限元分析方法被称为逐步破坏分析法。

在对船舶进行极限强度分析计算时，可以采取有限元的直接计算方法。即根据船舶的横断面塑性弯矩的变形量和船体的纵向底板极限形变量进行极限强度的估算。在估算时为了降低结构承载力对结构极限强度的影响变化，在进行船舶工程钢结构极限强度估算时，未考虑加强筋单元承载的结构应力，因为在极限强度的前期，加强筋的载荷应力会适当降低，且载荷受力区域会重新的分布，因此在进行估算时，若是参考了加强筋的载荷数据资料，就会提高钢结构极限强度的数值，给后续的研究分析带来一定的影响。

2 船舶搁浅后钢结构损坏的研究分析

2.1 船舶底板的变形

在研究船舶搁浅后钢结构的损坏程度工作时，根据有限元理论对其钢结构极限强度进行解析，发现了船舶底板的纵向钢结构强度直接决定了船底整体钢结构的极限强度。由此可以判断出船舶底板四周的肋板和扶强钢材，并没有达到自有的极限结构强度，只是在搁浅碰撞的过程中出现了能量的损失。

在研究中还发现，底板周边的肋板变形主要集中在肋板的中间区域和侧边区域，在肋板受到礁石的碰撞后，中间区域直接发生了形变，而在中间区域的结构强度影响下，侧边的钢材也出现了一定的变形。

在研究船舶变形问题时，有限元理论给予了充分的数据研究支持，通过对底板、肋板、扶强材的结构变形研究可以发现，肋板和扶强材料的变形，主要是通过膜拉伸和塑性变形，两者共同产生了能量的损耗。

2.2 船舶外底板与纵骨变形分析

当船舶在礁石区域发生搁浅事故时，由于船舶的外底板高度，一般情况下要低于礁石的碰撞高度，因此在碰撞能量转化的过程中，可以发现船舶的纵骨直接出现了严重的塑性形变，由此可以判断出船舶钢结构的极限强度，在纵骨结构中发挥不出有效的保护作用。由于触礁导致船舶纵骨的结构失效，在根据有限元理论进行解析计算时，可以将船外底板的多个纵骨结构单元转化为一块横向的外底板结构单元，这样可以很好的控制船舶的制作成本，提高船舶的生产效率。

2.3 船舶底部纵桁的变形研究

船舶底部的纵桁与船舶内部的底板，两者结合对船体起到了支撑稳定的作用。在船舶出现触礁事故的时候，由于船舶底部的纵桁受到了碰撞礁石的快速挤压，船舶底部的纵桁出现了一定的形变量。为了科学地求解出该纵桁变形的具体数据信息，在有限元方法的分析计算下，发现了船舶水下纵桁变形量与触礁的垂直距离，和实验模型中双层底板高度的纵桁极限变形量是相同的，由此就可以判断出船舶底板的纵桁受损情况，从而判断出触礁事故的危害，并采取有效的处理方式，第一时间控制船舶的受损情况，避免事故危害的扩大。

2.4 船舶极限强度的解析分析

为了更好地提高船舶在海洋中行驶的安全性与可靠性，要对船舶的极限强度进行有效的研究分析，从而合理地优化改善船舶的钢结构的制作性能。在研究船舶极限强度时，首先对船舶的整体钢结构进行拆解分析，从而准确地分析出船舶上不同区域的载荷情况，因为载荷量的不同直接影响船舶钢结构极限强度的研究准确性。

在确定出船舶的区域载荷后，可以将船舶的载荷进行归纳分类，可以分为两种类型：船舶总体载荷和局部区域的载荷。其中船舶的整体载荷直接将其载荷力矩施加在船舶的底板区域，而区域性的载荷对局部区域的钢结构会产生更大的影响，如船舶发动机室的底板载荷就明显高于其他区域的载荷。

当船舶在海洋中行驶时，局部海水对船舶的压力，也可以归纳到船舶的总体载荷中。在洋面出现波动时，流动的波浪会形成一定的冲击载荷，而船舶中液体物质在晃动的过程中也会产生相关的载荷应力。在对船舶的钢结构极限强度进行研究分析时，波浪引起的冲击载荷对船舶的极限强度研究数据起到了很重要的作用，可以更好地论证肋板和底板、极限强度与疲劳强度之间的数据关系。

在进行船舶的钢结构极限强度解析计算时，根据有限元理论的研究方法，首先将实验模型的船舶的剖面进行拆解，划分为若干个小单元。然后，将船舶的纵向底板划分为一块整体板和一个加强钢筋，最后就是将横向的肋板划分为一块板，其余侧边的区域可以用硬角单元进行替换。在船舶的各个单元划分后，就可以根据有限元理论对其单元的关系进行论证计算，从而得出不同单元之间的应力关系，科学地模拟出船舶的钢结构极限强度。