摘要：近年来，随着时代的进步，航海事业也迅速发展起来。船舶的安全性与可靠性直接影响船舶运行安全。其中，海洋工程钢结构的强度直接决定了船舶的安全性与可靠性，通过对海洋工程钢结构强度的极限值研究，可以为今后的海洋事业发展奠定一定的理论基础。本文就船舶与海洋工程钢结构极限强度进行了分析。
关键词：船舶；海洋工程；钢结构极限强度
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结构极限强度计算概述
在船舶与海洋工程的结构理性设计中，结构极限强度的计算和分析是要求最高也最为复杂的环节。在实际中，通常利用对船体模型进行有限元分析的方法测量船体模型的构件屈曲和塑形等数据，从而得出比较精确的船体模型极限强度。然而，这种方法在实际运用中工作量很大，且成本很高，因此，推广程度不高。当前，一种叫“逐步破坏法”的计算方法则较为常用。该方法不仅可以减少计算工作量，还可以提高极限强度计算结果的精确性。在船舶与海洋工程结构极限强度的计算上，逐步破坏法主要具有以下两方面的优点:(1)将用于结构极限强度计算与分析的船体模块向横向崩溃和纵向崩溃这两种独立的总崩溃模式转化;(2)通过限制相关尺寸，确保相邻的两个横向刚架纵向崩溃。逐步破坏法能够让船舶与海洋工程的船体模型横向刚架的临界分段在中垂或中拱过程中崩溃，将结构极限强度计算向船体某一分段极限纵强度计算简化，不仅能确保计算结果的精确性，还能大大减少计算工作量。
2船舶搁浅结构损伤分析
2.1船底肋板和扶强材的变形损伤
按照极限强度解析计算方法的假定，可以发现船舶的纵向构件决定了其极限强度，因此，不需要过多地考虑船舶底部肋板和肋板上的扶强材的损伤变形，只需要关注它们在变形过程中的能量耗散。肋板的变形分为中间和两边两个部分。肋板中间部分受到礁石的直接作用而发生变形，两边部分也会受到波及而变形。船舶总的变形能可通过这两部分变形能Efloor，central、Efloor，side叠加得到，而肋板扶强材的变形能Efs主要通过膜拉伸变形和塑性弯曲两种形式耗散。
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。
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2.4载荷响应预报和极限强度解析预报
在分析船舶结构时，需要确定作用在船体上的载荷。因为载荷计算在很大程度上决定了结构分析的精度。通常，船体上的波浪载荷分为总体载荷和局部载荷，其中，总体载荷指的是局部海水动压力的合力。另外，波浪还会引起冲击力、甲板上浪的水压力以及舱内液体晃荡力等载荷。总的来说，分析波浪载荷对船体的极限强度计算有着很关键的作用。在船体极限强度解析预报中，首先要将船体的横剖面划分为若干个小单元，其中，纵向加筋板单元是由一块板和一根纵向加强筋构成，横向加筋板单元一般情况下只有一块板，硬角单元通常是由两块不共面的板构成。将各个单元划分好以后，利用CSR规范公式得出各个单元的应力-应变关系。
3船舶与海洋工程结构极限强度分析
3.1对复杂结构系统的可靠性分析
因为考虑到船舶与海洋工程结构系统的复杂性和多变性，对船舶进行系统而完善的分析是必不可少的一个环节。基于船舶和海洋工程结构都是复杂性结构，因此他们具备多种失效途径和失效模式。如果采用一般的枚举法进行搜索就会引发系列爆炸性问题的产生。另外，为了解决失效模式下的结构性问题就必须生成真实可靠的技术数据来做依靠。一般情况下，当船舶载重的随机变量的变异性大于船体本身结构变量的变异时，就可以运用搜索系统的失效途径确定其结构。近几年，由于计算机技术的大力发展，人工智能化技术引入到搜索系统之中，从根本上提高了分析的可靠性以及计算效率。
3.2随机性
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。
3.3船舶在波浪中载重的方法分析
波浪载荷是船舶结构结构中要考虑的重要的载荷方式。对波浪载荷的正确计算是优化船舶结构设计，合理评定船舶结构强度的重要前提。一般来说，船舶的波浪载荷方式可以分为两种：总体载荷和局部载荷。总体载荷是借助海水压力，将海水动压力沿全船积分得到。另外，海水的压力也会引起舱内的晃动以及波浪对船体的回击力。从船舶的安全性角度出发，波浪载荷对船舶的极限强度起到了一定的作用。另一个方面，由于船体形状各异，波浪的形状不一以及波浪和船体碰击的随机性，增大了载荷的计算难度。主要计算方法为：根据波浪诱导运动和波浪载荷所得到的相应的函数，然后利用统计法对船舶运动和波浪载荷进行短期预报；根据波浪诱导运动和波浪载荷所得的函数表、海浪图、波浪散布图等进一步得出概率数据从而对船舶运动和波浪载荷进行长期预报。无论是短期预报还是长期预报都是根据统计出的实际数据进行计算，从而达到得到波浪载重的设计极值。
结语
对于船舶设计而言，安全是应当考虑的首要因素。海洋工程与船舶的整体构思、极限强度设计都要围绕安全需求展开深入的分析，应用逐步破坏法、有限元、直接计算等方式，解析预报极限强度，实现船体结构强度的整体化升级。
参考文献
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论文作者:刘明玥
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/5/6