【摘要】本文主要分析了船舶與海洋工程結構的極限強度，探討了在船舶與海洋工程中，結構強度方面需要關注的要點，希望通過論述，可以為船舶與海洋工程相關人員研究結構強度提供參考。 

　　【關鍵詞】船舶；海洋工程；結構；強度 

　　中圖分類號：F407文獻標識碼： A 

　　一、前言 

　　目前，對船舶與海洋工程結構極限強度的研究還較少，小部分的研究也局限于研究一般性的結構強度，因此，分析船舶與海洋工程結構極限強度非常有必要，這是進一步了解其結構強度的必要工作。 

　　二、船體結構極限強度概述 

　　船舶與海洋工程結構物在其全壽命周期內可能遭受各種各樣的載荷和變形，包括常規(guī)載荷、極限載荷或意外載荷。所以，在結構設計中應充分考慮這一因素，要更合理地考慮其安全性。 

　　傳統(tǒng)的船舶設計是采用許用應力設計法(ASD法)，即在線彈性理論基礎上，船體總縱強度是通過甲板(或船底處)的彈性應力與許用應力比較來進行評估，許用應力通常取為材料屈服強度的若干百分數(shù)。這種方法與名義垂向波浪彎矩一起使用時，對于常規(guī)船型具有一定的有效性。然而，并不能使人們獲得清晰的船體強度的概念，更不能真實反映出船體結構的實際破壞的全過程。因此，ASD應用于非常規(guī)船型設汁是不能令人滿意的。 

　　總縱彎曲下的船體損壞實質上是一個漸進的過程。當船體梁斷面上某一個最弱的構件因屈服、屈曲或兩者的某種組合發(fā)生損壞而不能有效承擔載荷時，將使船體剛度減少，但由于其他構件仍可承載，包括失效構件轉嫁來的載荷，因此船體梁仍能承載。基于船體結構極限強度所確立的“限制狀態(tài)”設計方法，比線彈性設計方法增加了安全性和經濟性。極限強度的影響參數(shù)研究對于估算船體結構的可靠性是必要的。對于像船體這樣復雜的結構，在確定設計衡準和所期望的統(tǒng)計中，所需的大量經驗數(shù)據(jù)不可能輕易地獲得。一般而言，船體結構的極限強度可通過估算結構對下列四種破壞形式中任一種的抵抗能力來決定： 

　　1、屈曲或后屈曲失穩(wěn)； 

　　2、由屈服引起的塑性破壞： 

　　3、過載下的脆性斷裂； 

　　4、因應力脈動的反復作用而產生的疲勞斷裂。 

　　三、船舶和海洋工程結構極限強度分析 

　　1、加筋板的極限強度分析 

　　船體板是船體結構的基本組成部分，研究船體結構的極限強度計算，首先得從板的極限強度計算分析開始。船體板及加筋板的極限強度研究方法從數(shù)學手段上看，可以分為解析法、半解析法和數(shù)值方法。從分析方法上可分為利用有效帶板寬度概念的方法、利用試驗數(shù)據(jù)回歸的經驗公式法和應用相關方程的方法。 

　　Paik等研究了彈性扭轉約束邊界條件下板的屈曲強度特征，并得到了支撐構件沿一邊或四邊彈性扭轉約束條件下的屈曲強度的簡單設計公式。Steen等推導了雙軸向壓應力和側向壓應力共同作用下板的屈曲和極限強度的簡化方程。Paik等推導了在雙軸向壓應力、邊緣剪應力和側向壓應力作用下，簡支板的彈性屈曲方程，后來又將殘余應力考慮到屈曲設計公式中去。Yao等研究了單軸向壓應力作用下焊接殘余應力和初始變形對板的屈曲和極限強度的影響。大多數(shù)船級社關于船體板的彈塑性屈曲強度的計算采用的是Johnson-Osten-feld公式，該公式是通過一種修正系數(shù)的方法把塑性屈曲強度用彈性屈曲強度來衡量。Paik和Fu-jikubo等通過建立在非線性有限元方法基礎上的曲線擬合得到了新的塑性屈曲強度修正經驗公式。 

　　2、船體板架極限強度分析 

　　船體板架是船體結構最主要的組成部分。對船體板架穩(wěn)定性的計算分析，是船體結構極限強度分析的主要內容之一。早期對船體板架穩(wěn)定性問題的計算分析，主要是基于經典的邊界條件下進行，即假定船體板架邊界是簡單支持或剛性固定。但實際船體板架邊界卻是介于簡單支持和剛性固定兩種極端情況之間的彈性約束情況。船體板架結構的屈曲強度很大程度上依賴于板架邊界上的約束。Svenneerud通過假定一依賴于橫向骨架的固定程度的慣性矩來代替真實慣性矩的方法對約束加以考慮。有學者提出了一個考慮邊界約束的分離梁解，同時還提出了計算板架邊界彈性約束的方法。 

　　有限元法可以計算各種復雜和不規(guī)則的板架。這種方法考慮了各種實際存在的復雜因素。例如，支柱的任意方式布置，各種艙口形式，桁材斷面的任意變化以及各種邊界條件等等。船體板架的穩(wěn)定性可以采用通用有限元軟件進行計算。 

　　3、船體梁總縱極限強度分析 

　　自船體結構總縱極限強度的概念提出以來，船體梁總縱極限強度的分析方法得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了多種船體梁總縱極限強度分析的方法。但常用的船體梁極限強度分析方法可分為：直接計算法、逐步破壞分析法。 

　　（一）直接計算法 

　　Caldwell將船體總縱極限強度估算為船體橫剖面的全塑性彎矩，通過對受壓構件承載能力的折減以說明結構屈曲的影響。該方法沒有考慮當加筋板單元承受的壓應力超過其極限強度后的載荷縮短行為以及截面應力的重新分布，這往往過高地估算了船體結構總縱極限強度值。 

　　（二）逐步破壞分析法 

　　根據(jù)對船體結構破壞機理的分析，發(fā)現(xiàn)船體結構的整體破壞實際上是一個逐步破壞過程。1977年，基于平斷面假設，構件逐步破壞的增量曲率法，提出因屈曲及屈服引起的加筋板逐步破壞可用橫剖面纖維的應力-應變關系描述，并考慮了后屈曲效應。Smith采用非線性有限元對單元彈塑性大撓度分析來導出單元的平均應力-平均應變關系。Smith方法的計算結果的精度，很大程度上取決于單元的平均應力-平均應變關系的準確性。 

　　（三）有限元方法(FEM) 

　　有限元方法適用于任何加載類型和結構模型。該方法引入了梁單元、平板單元和正交各向異性板單元，能夠對結構作靜態(tài)與動態(tài)載荷作用下的極限狀態(tài)分析，并能對單個結構作整體響應分析，同時考慮船體在彎矩、扭矩及剪力聯(lián)合作用下的響應。Kutt等采用該方法對四條船體的縱向極限強度按各種載荷狀態(tài)、不同的有限元模型進行了計算和分析，在每種分析中均記入了屈曲、后屈曲和塑性的效應。 

　　四、船舶在波浪中的載荷響應預報主要方法 

　　進行船舶結構分析時，首先要確定作用在船體上的載荷。結構分析的精度又很大程度地取決于載荷計算。因此，載荷問題是船舶結構研究中非常重要的一個問題。 

　　按照傳統(tǒng)，作用在船體上的波浪載荷可分為總體載荷(波浪彎矩、扭矩和剪力)和局部載荷(作用在船體表面上的海水動壓力)。事實上，總體載荷就是局部海水動壓力的合力，可將海水動壓力沿全船積分得到。波浪還引起沖擊力、甲板上浪的水壓力、艙內液體晃蕩力(Sloshing pressure)等載荷。從船舶安全性角度考慮，波浪載荷對船舶的極限強度起重要的作用。 

　　由于船體形狀的復雜性，波浪的不規(guī)則性，船舶和波浪遭遇的隨機性等因素，波浪載荷計算是十分復雜的。人們十分重視應用譜分析法計算船體所受的波浪載荷，也就是說，把波浪對船體的作用視作對船體系統(tǒng)的輸人，而船體受力和運動視作系統(tǒng)的輸出。對于每一種輸出過程，系統(tǒng)都有相應的傳遞函數(shù)(傳遞函數(shù)可以由試驗得到，也可以由切片理論計算得到)，將傳遞函數(shù)與實際海況的波譜相結合，就可以得到船體受到的載荷譜，進而可以求得載荷的統(tǒng)計特征值，以及載荷的長期和短期預報值。人們常稱這種方法為船舶在波浪中的載荷響應預報技術(Wave load Prediction Technology)。 

　　五、結束語 

　　總而言之，船舶與海洋工程結構極限強度的研究是具有一定的現(xiàn)實運用意義的，它可以為船舶與海洋工程結構的構造和使用提供參考，進而為船舶與海洋工程的建設提供借鑒。 

　　【參考文獻】 

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