船舶结构强度与疲劳强度的计算技术研究

周启学　任晋宇

摘 要：船舶在水上行进的过程中，所受到的力是非常复杂的，由于水流的冲击和船体的重力以及所受的浮力之间的作用，想要计算船舶的结构强度和疲劳强度是非常困难的，所以在船舶的结构强度计算中，一般是采取極限强度计算法和总纵强度计算法。船舶的疲劳强度的计算所面对的因素更多，所以，采取船舶疲劳强度的校核，以及对疲劳强度的寿命评估，是比较系统的计算方式。本文浅谈船舶结构强度与疲劳强度的计算技术。

关键词：船舶结构强度;疲劳强度;计算技术

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

随着人们社会的进步，对海洋的探索近乎无止境，所以各类船舶公司的规模不断扩大，相对应的传播修理公司也随之增加，所面临的船舶修理任务也越来越多。在这种情况下，由于出现的各类问题中，如果采取不当的修理方式，反而会进一步降低船舶抵抗风险的能力，甚至适得其反。因此，研究船舶结构的结构强度和疲劳强度，并进行计算分析，然后和船舶的修理工程相结合，从而提高船舶的修理质量，保证船舶结构的安全性。

1 船舶结构强度

船舶的结构力学从本质上来说，就是船体在水中航行的受力甚至变形的情况，而这些在船体的设计过程中，就会对船舶的强度进行计算，通过在对船体结构已经确定的情况下，给定外界传输的荷载，然后进行计算船体的结构强度。为了能够便于计算，需要将船舶的结构简化，并且控制船舶外界所受到的荷载力，从而利用船舶的理论知识来计算船体在水流行进中应力、变形的强度计算。

2 船舶的结构强度分析与计算

船舶的结构强度计算和设计建造时的强度计算是一致的，而在船舶的修理中，这些结构仍然是不变的，哪怕是立法和能量法，位移法和矩阵法，都是不曾改变的。所以在这和过程中可以采取一种结构来进行计算。

2.1 力学求解

这是船舶结构中比较基础，也是比较常用的方法之一，原理就是将不能够将控制的因素去除，形成稳定性的静定结构，如此一来，就能够得到想要的方程式，由于去掉不确定因素后，多出现的变形方程式和元老结构的方程式基本相同。以n为未知力，则会出现“力法正则方程式”。

2.2 以位移法求解

以位移法求船舶的结构强度，是比较全面的，主要是利用节点转角的设定，延后利用节点的一个断面弯矩的一个平衡条件，一次来进行求解工作。它的基本原理可以理解成从结构的节点找到可转动的节点数，然后对转角的节点数进行约束的作用;然后再对这些节点数进行迫动，使之转角，然后根据具体的方程式列出杆端弯矩，最后再建立各个节点的方程式，从而得出正确的答案。

2.3 总纵强度的计算

一般来说，对于船舶的总强度计算是有标准的，第一就是在试验中，将船舶放置在已经准备的模拟环境的波浪中，暂定船舶是在波浪中行进，且行进的方向与水流的方向一致，如此，传播和水流就处于相对静止;第二同样是船舶放置在已经模拟好的环境中，标准的波形以二维坦谷波，这样，船长即波长，只需要按照相关的计算即可以进行。第三是在取极限值进行计算，即波峰与波谷两种极限状态进行计算。

如此一来波浪弯矩和波浪切力都可以得到计算。

总的来说，总纵强度的计算是基于船体机构多个部件的受力计算，由于船体是多部件组成，因此，在计算中对船体结构在实际运行中的受力和传力进行合理化的分析，进而确定船体的结构强度。以横骨架式为例，如果假定传递只有水的力量，那么承受水的力量必然是船体下面的底板，然后底板在依次横固，再传入船体的各个结构。若已、以纵骨架式为例，仍然假定船体只收的水的力量，那么水的力量仍然是传递给外底板，外底板在依次传递给纵骨，然后是板架。所以，总纵强度的计算，通常要考虑各构件之间力的传递，在力的传递中船体发横变形或者是弯曲，这是产生的弯曲应力方能进行计算。

3 船舶疲劳强度

船舶的疲劳强度主要是指船舶在实际的运行当中，船舶的结构因为受到力的影响，导致在船体在周期内受到破坏。而且船体不管是有无装载运行，或者是大风大浪的影响，都会受到额外的伤害，这种伤害常年雷击，就会造成船舶疲劳强度的严重影响，进而影响船体的质量。事实上，船体的疲劳程度和船体的材料、承受力度、使用寿命等方面有着密切的联系。因此，在船舶疲劳强度的计算中，迄今为止还没有一个明确的算法，但是可以对船舶疲劳强度进行一定的估算，从而大致计算出船舶的疲劳强度，以延长船体的结构的寿命。

3.1 仿真软件计算法

现阶段主流的仿真软件有很多，但大体上都是软件的本身存在着很多的庞大的数据库，能够满足各类实验的需求。以Multisim仿真软件为例，Multisim仿真软件主要是应用在电路上的各种仿真模拟上，包括电路的设计和测试以及分析等方面实验，能够直观的展示电路的运行状态，给学生带来明确的知识传递。Multisim仿真软件内部蕴含的技术是非常多的，涉及电路的多方面领域的知识和原理，电路自动控制、电路模拟和危机接口电路都是其中的一环。Multisim仿真软件有着丰富存储量的元件库，不仅能够满足在不同条件、不同情况下的实验，也能够保证实验数据的逼真性，保证实验数据和实际数据的统一性。

3.2 断裂力学方法

一般来说，研究船舶的疲劳强度，很大程度上就是建立在船舶疲劳断裂的问题上，只有这样，才能精准的进行船舶疲劳值的一个估算。这其中船舶的断裂力学方法就是一种非常有效的措施。断裂力学法，是基于Paris裂纹扩展的一个法则，具体主要是在模拟中，假定船体的裂痕存在，（事实上，不管任何材料，从微观意义上讲都是由裂痕的存在的），那么在外力的不断作用下，研究裂纹的一个扩展的过程，从而判断裂纹的产生对于船体疲劳强度的影响。

3.3 S-N曲线

S-N曲线法是通过无数的实验进行累计，从而研究出各种船舶结构中的S-N曲线，能够从很大程度上反应船体疲劳程度的一个损伤，反应船体在运行中剩余的一个船体的寿命，并且还能够求出船舶结构中疲劳分析的强度。所以，S-N曲线又被称为应力幅值曲线，是反应船舶疲劳寿命的直观曲线。所以，在实验中，以S为交变应力的应力幅值，那么N自然就代表着在这种力度作用下船舶被破坏的应力的一个循环次数，也就是我们想要求的疲劳寿命。事实上，这种实验由于还存在设不确定性，因此有可能最后求出的预算值会有所偏差。比如说在试验中模型是否真的能代替实际的船舶;船舶疲劳性的误差以及疲劳书记的统计中的形式分布，都会影响S-N的数值。现阶段比较成熟的曲线坐标中，都是一下两种模型曲线：

在这其中A是低周常数，C是高周曲线中的常数，m是低周曲线的倒数，r是高周曲线的倒数。

3.4 随机荷载和疲劳累计模型

随机荷载和疲劳累计模型也是比较常用的船舶疲劳强度预估办法，由于船体结构是一直处于疲劳荷载的状态，因此交变应力会持续增强，逐渐累计的对船舶的疲劳强度造成损伤。一般来说船舶的随机荷载是由波浪、撞击、发送机或者是螺旋桨、已经船底轻微的触碰等。疲劳积累损伤也是基于S-N的曲线，服从者很多密度函数。总的来说随机荷载和疲劳累计模型设计到的疲劳强度的计算也是非常多的，就不一一列举。

4 结束语

通过各种航行经验，船体的结构强度和疲劳强度是船舶的设计和运行过程中不可绕过的一个要点，关系到船舶的质量和使用寿命。因此，我们要在设计中重视这个问题，通过对结构强度的计算和疲劳强度的估算，来设计中性能优良的船舶。

参考文献：

[1]陈伯真，胡毓仁.液化气体船液舱结构的疲劳可靠性分析[J].中国造船，1993（03）：69-80.

项目名称：互联网远程水下机器人的研发及其应用研究

项目编号：B2018495

作者简介：周启学（1966-），男，湖北天门人，本科，研究方向：船舶工程技术、高职教育研究。

*为通讯作者