船舶搁浅对船体极限强度影响分析

发表时间:2019/12/18   来源:《基层建设》2019年第26期   作者:宋金涛 李晓琴 夏董华
[导读] 摘要:近年来,我国海洋事业取得了较快的发展,船舶数量逐渐增加,船舶安全受到更多关注。
        烟台中集来福士海洋工程有限公司  山东省烟台市  264670
        摘要:近年来,我国海洋事业取得了较快的发展,船舶数量逐渐增加,船舶安全受到更多关注。要提高船舶运行的安全性,促进海洋事业的发展。本文主要对船舶与海洋工程结构的极限强度进行探讨和分析,以供参考。
        关键词:船舶;海洋工程结构;极限强度
        引言
        船舶海洋工程的极限强度计算需要考虑众多因素,而不仅仅是简单的计算材质强度就行。在计算的过程中通常需要建模的方式,通过模拟、有限元计算得出船体实际结构强度。当然这种方法也是有弊端的,实际使用中需要与其他技术一同配合。本文将以船舶海洋工程结果强度设计需要考虑的问题为着手点,阐述其计算方式与极限强度要求,希望可以帮助更多设计者,为研究人员提供一定建议。
        1船舶结构极限强度分析
        一般船舶主要分为船壳、船体骨架、夹板、船舱等几部分构成。船壳俗称为船的外壳,它主要用来阻挡由水压力、波浪冲击力等各种外部冲击力量。船体骨架是由龙骨、旁龙骨、肋骨、龙筋、舭龙骨、船首柱和船尾柱构成,它们共同组成了船舶骨架。甲板主要位于内底板以上,用来盖住船体内部空间,甲板将整个船体分为上、中、下三层。船舱是指甲板以下的用途空间,包括货舱、客舱和各种专门用途的船舱。在海上运输的不断发展下,船只的数量越来越多。相对应的海上事故也频频发生,当船只发生意外事故时,其结构强度也会发生影响,由此带来更为严重的结果。
        船舶在海上航行的过程中可能会遭受到各种各样的载重和变形,包括自重范围内的载重、超负荷载重、以及意外搁浅等。因此,在前期设计中,必须将各种环境下会遇到的情况都考虑在内,合理地考虑其安全性。一般的船舶设计采用许用应力设计法,即在安全系数范围内,船体总纵强度是通过甲板的弹性应力与许用应力进行对比。然后这种设计理念在和名义垂向波浪弯矩共同使用时具有一定的局限性,不能真实反映出船体结构的实际破坏的全过程。例如,船舶在遭遇总纵弯曲下的破坏时,是因船体两端面上的某一零部件遭受到损坏从而使船舶载重能力发生变化,使船舶刚度受到影响。极限强度的影响参数研究对于估算船体结构的可靠性是必要的。箱船舶这种庞大的结构载体,在整个设计研究中,所需要的数据统计很难得到。因此,可通过估算的方法来获取。一般,是通过过载体的脆性断裂、因应力脉动的反复作用而产生的疲劳断裂等多方面的抗压能力来得出有效数据。
        2极限强度的计算分析方法
        2.1逐步破坏分析法
        当前国内在船舶与海洋工程项目上的数量呈现出高速增加的发展趋势,而且从该工程领域每年创造的经济收益和社会价值来看,其带来的经济效益不容小视。随着科技的发展和技术的进步,通过预测和分析可以得知,国内船舶与海洋工程的未来发展趋势将来还会不断增长。不过若是只是在工程的数量上出现显著增长,而相关的施工技术和管理方法不能随之得到提高,那么势必会造成船舶与海洋工程的建设过程中出现技术的脱节,导致工程出现严重的质量问题。逐步破坏法在实际的实施与应用过程中,能够对船舶工程的自身特征进行准确分析,研究其结构极限强度的状态,进而获得精准的信息和数值,因此广受青睐。
        2.2有限元法
        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。
        2.3直接计算法
        考德威尔利用船体横剖面全塑性弯矩对船体总纵极限强度进行了估算解释结构屈曲的影响。考德威尔的这种思路并没有将加筋板承受压应力考虑在内,没有想过在超出极限强度以后发生的截面应力、载荷缩短引起的压应力重新分布现象。所以这种方式最终结果通常都会超出船体真实极限强度。
        3船舶与海洋工程结构极限强度分析
        3.1可靠性分析
        因为船舶海洋工程本身就有着多变性、复杂性特点,因此为了保障船舶能够在海面上的稳定使用就必须认真的分析船舶结构中的所有细节。船舶海洋工程非常复杂,存在多种失效模式与失效途径。采取简单的枚举法搜索只会酿出大错,甚至可能会出现爆炸问题。此外失效模式条件下的结构问题需要依靠可靠、真实的数据。通常情况时在船舶载重变量变异条件下需要应用搜索系统确定结构。不过近些年的科技快速发展,使得计算机技术取代了这种方式。人工智能技术在搜索引擎中的引用全面提高了分析计算效率与分析可靠性。
        3.2安全性分析
        随着船舶载体的多变性,近些年所开发设计的工程结构和前几年的对比总会有结构上的变化。也有部分学者从结构余度的角度出发,来评定结构的安全性和完整性。从各个方面出发,综合考虑结构系统的设计到投入使用中各个环节安全性和不确定因素,再加上经济考虑实现完整性的评估。另外,对于船体受损结构的分析也需要在船舶原有的结构上展开分析,得出受损力度和海域情况。也需在分析的基础上对以后的运行加以考虑,避免类似情况的出现。
        3.3随机性分析
        过去对船舶结构的分析大多利用了确定概率计算平均值,这种方式无法完全将所有随机变量纳入其中,数据分析不确定性问题比较显著。当前最常用的计算方法就是有限元,有限元对船舶结构的分析效果非常显著。有限元实际包括很多种方式比如点估计、响应面、一阶二次矩等多种有限元算法。限元法会引起数据偏大的问题,该现象会影响到最终的分析结果。为解决该现象就必须使用随机边界。这种方法能够精细化分析数据,在减少计算量的同时保障计算精准度。
        结语
        总而言之,船舶和海洋工程的强度的优化处理尚且存在广阔的进步空间。每项工程在正式施工的时候,都需要对其结构的极限承受强度进行合理规划,并且将结构的极限强度作为关键的质量标准,使用专业、有效的方法对其展开分析,然后将分析的结果进行多次核实和校验,待到确定其能够与工程的客观条件互相符合之后,再对其进行合理的改进和升级,从而促进国内的船舶和海洋工程事业的稳健发展。
        参考文献
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        [3]张婧,施兴华,顾学康.具有初始缺陷的船体加筋板结构在复杂受力状态下的极限强度研究[J].中国造船,2018,(1):60-70.
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