文献综述-极限强度1

文献综述

——船舶与海洋结构物极限强度

139010022 陈星宇

1 概述

极限强度就是船体结构抵抗整体崩溃的最大能力，当船受外加载荷作用达到

极限状态时受到的弯矩为船所能承受的极限弯矩，船的总纵极限强度就是以此极限弯矩为衡量。船的整体崩溃本质上是总体刚度和承载能力的丧失。

极限状态的分析是船舶结构设计基本任务之一。随着结构分析与设计技术的不断发展，船体结构设计和材料使用都日趋经济合理，船体结构在承受极限环境载荷作用下的最终强度问题就日益突出起来，研究船体结构在极端载荷作用下的整体力学行为和极限强度就成为国际船舶结构力学领域近期的一个热点研究课题。近来，计算机迅速发展颇令人关注，现己可以模拟船舶结构构件和整体的屈曲及塑性崩溃过程的非线性分析。船体板厚也因计算机优化设计和高强度钢的运用而变薄，优化设计甚至可以裁减一些不必要的船体构件。船既要优化结构又要保证总体安全度，还能提高经济效益，这就使得准确的计算船体的总纵强度显得更加重要。

近40年来，基于对船体梁在总纵弯矩作用下结构的破坏机理的理论与试验研究，已经建立了相对合理的和比较规范化的船体结构极限承载能力计算方法，取得了显著的研究迸展。但在如何合理地评估初始挠度、材料和几何非线性以及结构单元后屈曲等因素对船体梁极限承载能力地影响；以及考虑循环加载作用下的动态损伤过程，仍需要开展进一步深入细致的研究工作。另外，国内主要是偏于逐步破坏方法的研究，自己的有限元计算软件很少，故研制更加简洁、实用、可靠、准确的计算方法和计算程序：开展实船与模型试验研究，验证计算方法和分析程序也是迫在眉睫。

船体结构在特殊载况或恶劣环境下会受到一逐渐增加的外载荷作用，随着外载荷增加，船体结构部分主要构件会遭到破坏，受拉部分会因为屈服失效，受压部分会发生屈曲失效，但这并不意味着整个剖面的失效，这时船体剖面仍可以继续承载，剖面上的其他构件还可以进一步承载，包括失效构件转嫁过来的载荷。

随着载荷继续增加，屈曲和屈服构件会逐渐增加，一直到最后的平衡状态，这时剖面达到了它的极限承载能力，同时外加载荷达到了极限值，这即是整体结构的极限强度，也是我们需要估算的。但传统的以结构弹性失效准则为理论基础的船体结构总纵强度校核方法，由于没有考虑局部构件的失效(屈曲、屈服等)以及材料和几何菲线性的影响，无法准确预报船体结构的极限承载能力。

船在加载压载过程中可能会受到极大弯矩的威胁，如果加压载不当就会出现船体受到的弯矩急剧增加，使船的局部产生不必要的破坏，甚至在加压载或卸载过程中出现船身断裂等的严重后果，像1980年在鹿特丹港正在卸载原油的一艘21．6万吨的VLCC(Energy Concentration号)就是由于卸载不当导致船发生中拱断裂。

船体在正常情况下会承受比设计载荷要少的载荷，在正常载况和海况下也不会发生结构破坏，像屈曲和屈服等，但也可能会有局部屈曲。然而，在实际中船体受到载荷很难确定，特别是在恶劣海况下，在船受到不可避免的大风浪作用时，即使其符合设计的装载对船体来说也可能会成为极限载荷，因为在风暴作用下船受到的弯矩会增加从而使其达到极限弯矩。

老龄船舶因存在腐蚀和疲劳等而导致的结构损坏也会使船的承载能力降低。如果能准确的预报船的极限强度，就可以预知哪种工况对船来说是最恶劣的，从而对其进行相应海况下的研究。另外，我们可以通过估算极限强度而预知船上哪部分的构件最易发生危险，从而可以加自动报警系统或加强局部构件以方便我们能及时控制破坏程度，减小潜在危机。

另外，要得知船极限纵强度，进行实船试验是最准确的。但船体是非常大的，且船一般都是按需建造，所以要想像汽车和飞机那样，对已知的船体进行实船的强度测试是非常困难的。历史上只对三艘驱逐舰在报废前进行实船的破损试验，这可能是因为意识到战船的船体强度的调查分析对国防是至关重要的。所以如何准确、可靠的预报船极限强度成了唯一选择。

2 国内外研究现状 2.1国外的理论研究

船体结构强度历来受到船舶工程界的广泛关注。早在1874年第15界造船师协会年会上，John[1]提出了船体结构总纵强度校核的方法体系(采用坦谷波理论计算

船体中剖面的最大弯矩、基于梁理论计算船体结构应力、以初始屈服弯矩作为船体结构强度衡准)，其基本内容一直沿用至今。

随着结构分析与设计技术的不断发展，发展了多种计算船体总纵强度的数学模型，其中较具代表性的是直接计算方法、逐步破坏分析方法和数值计算方法。下面对国内和国外研究进展状况分别介绍，先介绍国外概况

。

2.1.1直接计算法

Caldwell[2]早在1965年从船体截面的几何尺寸和材料的性质出发，认为船体截面失效是由材料屈服或结构屈曲引起的，通过对受压构件承载能力的折减以说明屈曲的影响，将船体极限状态假定为船体中剖面受压一侧全部屈曲、受拉一侧全部屈服，给出了船体梁结构总纵极限弯矩计算方法，即直接计算法。到了二十世纪80年代，Nishihara[3]根据其五个箱型梁模型试验研究检测结果改进了构件折减系数的计算方法，并应用Caldwell方法发现箱型梁的总纵极限弯矩与甲板或底板单元的压缩极限强度联系紧密。Maestro[4]也将Caldwell方法推广应用于在纵向和横向载荷联合作用下船体极限强度分析，研究了船舶搁浅／碰撞对总纵强度的影响。Mansour[5]等计算了船体梁拉伸屈服和压缩屈曲的总纵极限强度，比较计算结果和两个大尺度船体模型的试验结果，发现如果在直接计算方法中采用有效剖面模数而不是完全剖面模数，则计算结果与试验结果非常吻合。直接计算方法简便实用且具有一定的工程精度，常常应用于船舶结构初步设计计算。但是往往由于没考虑当加筋板单元承受的压应力超过极限值后的后屈曲行为以及应力重新分布而过高的估算了船体结构总纵极限强度值。

2.1.2 逐步破坏分析法

二十世纪70年代末Smith[6]基于对平板、加筋板在轴向压缩载荷作用下结构失效问题的研究成果，认为船体结构破坏是个渐进过程，且不可能达到完全塑性极限弯矩，从而提出了逐步破坏分析法。逐步破坏法首先对粱柱单元做弹塑性大变形有限元分析确定如筋板单元的应力一应变曲线，然后通过人为加载方式对船体梁横截面分布加载，对应每一增量步，计算所有单元的应力应变状态，通过叠加得到整个船体中剖面的弯矩一曲率曲线，进而确定总体的极限强度。Hughes[26]于1983年提出首先将船体等箱型粱结构分离成加筋板单元，进而估算整体极限强

度的方法。Dow等[7]在此基础上发展了曲军增量法，认为船体抗弯刚度对应于弯矩一曲率益线的斜率。进入二十世纪90年代，Gordo[8]根据受压平板、加筋板的破坏模式，提出了加筋板强度折减因子与平均应变关系式，以及相应的船体纵向极限强度的简化计算方法，分析了腐蚀、残余应力和高强度钢对船体极限强度的影响。采用逐步破坏分析方法计算船体梁总纵极限弯矩的结果很大程度上取决于加筋板单元的平均应力、应变特性，因此，应加强对加筋板的拉伸、压缩行为，特别是压缩失稳的后屈曲行为的研究

。

2.1.3数值计算方法(有限元法)

数值计算方法即有限元法，通过对整个船体结构进行有限元分析，同时考虑几何和材料非线性的影响，得到船体结构承载变形破坏的全过程。Chen等[9]于二十世纪80年代中期最早开发了船体结构极限承载能力分析的有限元方法，以板、梁单元模拟船体结构，考虑了材料和几何非线性影响，对船体结构进行弹塑性大挠度分析，计算船体结构总纵极限强度。ABS和DNV基于有限元方法，分别开发了船体结构极限强度分析的专用程序USAS和FENCOL。Kutt等应用USAS对两艘货船进行有限元分析，并研究了屈服应力、板厚、初始缺陷对船体极限强度的影响Valsgaard[10]应用FENCOL程序分析了Mansour的船体梁试验模型以及Energy Concentration号实船结构在总纵弯曲载荷作用下逐步破坏行为和极限承载能力。随着商用有限元程序的推广和非线性功能的增强，可选用商用有限元程序计算船体结构总纵极限强度。Hansen[11]应用MARC软件，计算了Nishihara船体梁试验模型极限强度，并分析了初始缺陷对总纵极限承载能力的影响。Yao等[12]利用LS／DYNA程序，研究Nakhodka油船承载变形破坏的全过程，分析其事故的原因。采用有限元方法，对船体结构进行弹塑性大挠度分析，可以得到构件和整体结构承载变形的全历程，但是结构有限元建模工作量大、计算费用高。因此，人们开始研发半解析半离散的数值方法，其中，理想结构单元法(ISUM)是比较成功的代表。ISUM方法最早由Ueda等[13]提出来，通过理论方法确定单元结构特性、失效模式的解析表达式，提高单元精度和模拟复杂结构的能力，减少单元节点数。在此基础上，Vao等进行了深入系统的应用研究和数值计算。Paik[14]基于ISUM开发了船体梁极限强度分析程序ALPS／ISUM，并应用于垂向弯矩、水平弯矩和剪力联合作用下船体结构的极限强度分析。Bai等[15]也采用塑性节点法，开发了