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解析船舶与海洋工程结构

杨雪彦 朱静国

江苏扬子江船业集团公司,江苏泰州,225300

摘要: 进入新时代以来,高新技术的发展蒸蒸日上,船舶与海洋工程也在朝着这个方向不断发展。船舶与海洋工程所处环境较为复杂多变,其结构发展所面对的一些问题,就不能单纯依靠传统结构力学来解决。由是针对船舶与海洋工程结构的研究,需要做到与时俱进,采用一些全新的理念和举措,才能更好地应对新时代的各种挑战。
关键词: 船舶;海洋工程;结构力学;分析研究
DOI:10.12721/ccn.2025.157022
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现如今,高效能船舶的发展比较迅速,从而激发了高技术海洋平台的发展。对船舶与海洋工程结构的解析,需要结合全新的结构力学知识,需要更专业的思维和更敬业的态度去应对。

1 对船舶在波浪状的载荷计算的流固耦合理论

近些年,流固耦合理论获得了一些创新和发展,主要涵容以下两种方法。

1.1 频域法

所谓频域法,就是以简谐量代替系统双输,将问题简化为扰动速度势边值求解问题的方法。如今来看,应用最广的流体力学方法还是切片理论,对船舶行业来说,线性切片理论对其发展发挥了较大作用。而流固耦合具备的一个重要特征即为非线性,所以针对非线性理论的钻研就需要不断加深延展,这是非常必要的研究。而频域法这样的方法,不能解决强非线性问题,只能对一些弱非线性问题起到一定的作用。

1.2 时域法

所谓时域法,主要是以速度势为对象,这对这一对象建立边值、初值,从而精确获取时间、水动压力、运动响应的相关性。这种方法,主要是基于线性分析途径的研究,通过理论的计算结果,再对瞬时的粘性阻尼力、动浮力等的影响加以考虑,从而求解运动与水动压力的时间过程的研究。而对于刚体的大幅值运动,这种方法亦不能起到充裕的作用。

2 有关海上结构物碰撞的计算

船舶与海洋工程结构的碰撞问题,所涉及的面很广,比如船和桥、船和码头、船和沙石、船和船以及船与海洋平台等等方面,而海上结构物的碰撞,在最初发生的时候,结构动力的响应不是现象的,撕裂有可能发生,屈曲有可能发生,塑性变形亦有可能发生,至于哪一种现象会发生,与碰撞的位置、速度等因素相关。但是无论怎么碰撞,结构物的变形是不可避免的,刚性运动也一定会发生,所以需要对所发生的碰撞进行详致的研究,这样一个研究的基础就是塑性动力学,包含刚塑性方法、限元法或者经验公式法等方法。研究的起始阶段,要以能量相等理念为依循,按照只碰撞的动能损失和相撞时产生的塑性变形所吸收的能量相等进行问题处理。虽然限元法经过了比较成熟的发展,对碰撞过程的描述已经算很详细了,但是对流体与刚性运动作用的考虑还是不够全面。而在外部碰撞力学这一块,虽然在较大需求的环境里发展了起来,但是系统工程的优化亟需进步。

3 船舶与海洋工程结构可靠性和完整性分析

船舶与海洋工程结构系统,其主观因素比较特别,其客观因素充满了诸多的不确定性。所以在分析船舶与海洋工程结构的时候,可靠性与完整性的分析就变得愈发重要。

3.1 对复杂结构系统的可靠性分析

船舶与海洋平台都是板梁进行的复杂结构,有很多种失效途径和模式。若用一般的枚举法进行搜索就会导致组合爆炸问题。而且,还要解决这种复杂结构的极限失效方程生成的技术问题。一般情况下,当载荷的随机变量变异远大于结构本身的随机变量变异时,就能通过确定性结构分析来进行搜索系统的失效途径了。如今人工智能搜索对可靠性分析也有了很大的帮助,让计算效率得到了大幅的提升。

3.2 有关大型复杂结构系统的随机性分析

针对大型复杂结构系统,较为常用的是限元法,包括一阶二次矩有限元法、响应面有限元法、点估计有限元法等。但是这种方法的计算量比较大,而且全离散。为了克服这样的不足,随机边界元法也开始大量应用,这种方法不仅将计算量降了下来,而且半解析法的精度也能够实现。针对全非线性的研究,还是采用时域法比较多,这种方法基于线性自由面的条件,将自由面作线性化,做一些波浪增阻、辐射和绕射等问题的计算。基于线性分析途径的研究是通过理论的计算结果,再对瞬时的粘性阻尼力、动浮力等的影响加以考虑,从而求解运动与水动压力的时间过程的研究,这种方法不能够适应刚体的大幅值运动。

3.3 对受损结构和现有工程结构的安全评估

科学信息的发展一直没有停下它的脚步,与传统的工程结构相比较,现在的船舶与海洋工程结构发展了一些变化,所以结构余度的概念被提了出来,用以评定现有结构的安全性以及最为经济的维修策略。综合考虑结构系统的设计到使用中的各个安全环节和不确定性因素,再加上经济考虑实现完整性的评估。

4 疲劳与断裂

船舶运营的环境大多是在海洋之上,受到海浪等复杂情况的影响,一些交变应力会随之对船舶结构产生影响。长此以往的应力作用,会导致船体结构最终产生疲劳损坏,从而影响到船舶运营的安全以及船舶使用的寿命。现就疲劳与断裂阐述如下:

4.1 有关疲劳失效的衡准问题

说得通俗一点,疲劳失效是一种损失的积累。为了准确衡断这样的问题,线性损伤积累方法是较为常用的,但是这样的一种方法存在误差,和实验结果之间不是完全对应的。如果需要真确衡准疲劳失效,即需要通过概率描述的方法,将疲劳损伤积累的模型建立起来。

4.2 疲劳强度与载荷概率的模型

船舶结构物的疲劳强度,与交变应力息息相关,包括其幅值以及循环的次数等等。所以首先应当考虑的就是如何确定交变应力的分布规律,以及针对随机疲劳载荷遴选何样的计算方式。但是众所周知,疲劳强度的随机性一直都存在着,这就需要在创建模型的时候,优先考量实验数据和所给定应力的范围疲劳寿命分布规律,这一点是毋庸置疑的。

4.3 疲劳可靠性分析

在一个复杂的结构系统中,对疲劳失效的可靠性进行估算,其实不是那么容易。其原因是疲劳失效与载荷谱有密切的关系,并且它还有复杂系统多种失效途径的问题。一般做法是假设一个比较简单的并串联的模型,逐个对失效的途径进行搜索,但是在具体的应用中,针对载荷的处理结果并不是很理想。

 5 结语

可以预见的是,伴随着我国科学技术的不断进步,船舶与海洋工程所处的发展环境将会越来越好,模块化发展的步伐将会持续加速。而船舶制造产业的技术提升,必须要以解决模块化所导致的一系列问题为基础,在解决模块问题的前提下,才能有效促进船舶与海洋工程的可持续发展。 

参考文献:

[1]祝健.关于海洋工程结构与船舶防腐技术措施分析[J].科学与信息化,2019,(16):119-120.

[2]许君男.海洋工程结构与船舶防腐蚀技术措施研究[J].现代商贸工业,2015,36(17):221-222.

[3]王世会,魏燕子,苗森,高阳,吕振肖. 海洋工程结构与船舶防腐蚀技术措施研究[J].中外交流,2017,(23):61.