破损船舶结构校核方法研究

５６卷第３期（总第２１５期）中国造船。

０１５年９月。

文章编号。破损船舶结构校核方法研究。

夏。雪，张小雅，乔继潘，金允龙，姜金辉。

上海船舶运输科学研究所，航运技术与安全国家重点实验室，上海２００

摘要。船舶破损属于危险状态，快速准确地校核破损船舶结构强度对于应急救援等工作有着重要意义。以某散货船破损工况为例，分别采用等值梁法与有限元法评估破损船舶的结构强度。

计算表明，传统的等值梁法未能真实反映船舶破损后的变形及横向构件的应力，具有一定的局限性，有限元法则弥补了此项不足，该方法可为今后船舶破损的计算分析提供参考。

关键词：破损船舶；结构强度；等值梁法；有限元法。

中图分类号：ｕ６文献标识码：ａ

引言。船舶在海上航行时，由于碰撞、搁浅、被炮弹击中等意外事故而造成船体结构破损。船外壳破损后，破损舱室进水，船舶的浮态、稳性和载荷发生显著的变化，同时船体结构的承载能力】也会相应削弱，这将严重影响船舶的结构强度。

当船舶破损后，如何快速、准确地进行结构强度校核［２】这对应急救援【３］等工作有着重要的意义。快速应急救援旨在尽可能地减少人员**、环境污染和经济损失，这对于保证船舶航行安全具有积极意义。本文基于某散货船特定破损工况，分别采用等值梁法５】与有限元法【ｏｊ对破损船舶的结构强度进行校核。

实船参数和破损工况。

用于计算的散货船垂线间长为１８３型宽为３２．型深ｄ为１８ｍ该船采用隔舱装载方式号舱装载固体货物，货物密度３．０未装载压载水。船舶初始吃水１２．尾倾０．１右倾０．２重心高度距基线６．７船舶装载状况如图ｌ所示。

图１散货船装载工况示意图。

收稿日期修改稿收稿日期。

**项目：交通运输部应用基础研究项目。

中国造船学术**。

若该船号货舱中有一舱发生了破损，破损工况下进水平衡后的船舶状态如表１所示。

表１各破损工况船舶浮态稳性信息。

载荷。在船舶舱段校核时，通常选取静水载荷与波浪载荷之和最大的剖面进行分析。静水载荷是由于船舶重量与所受浮力分布不均匀而产生的。

船舱破损进水后，船舶的分布质量与所受浮力发生变化，静水载荷亦随之改变。波浪载荷是由于风浪对船体表面的压力而形成的。从船舶破损进水到灾难事故发生，或者救援船只赶到、采取营救措施，要经历一段时间，研究该段时间内的波浪载荷有重要意义。

在破损工况下，船舶遭受的波浪载荷取当前海况环境下的短期预报极值【，这可能是比较合适的。

一。般来说，船舶在海上航行时，静水载荷远大于短期预报的波浪载荷，静水载荷是船舶航行过程。

中的主导载荷。为了选取静水载荷与波浪载荷之和达到最大的船体剖面，通常的做法是在设计波筛选。

过程中，选取静水载荷（弯矩或剪力）最大的剖面作为设计波控制参数。所谓设计波，即按它计算出来的浮体应力可以代表实际船体航行过程中的最严重的状态。

由ｎａｐ软件计算得到的静水峰值弯矩与剪力ｆｓ如表２所示。表中ｘ表示船体剖面至艉垂线的纵向距离。

表２各工况下最大静水弯矩与静水剪力。

由ｗａｌ短期预报。及根据《钢制海船入级规范算的波浪载荷如表３所示。在这两项计。

算中，超越概率均取作１．０一。

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表３各工况下波浪载荷短期预报值。

由表３可以看出：（１在破损进水工况下，按规范计算的弯矩介于３．５和５．５有义波高时的短。

期预报弯矩之间，按规范计算的剪力低于３．５有义波高短期预报的剪力。（２用于规范计算的波浪载荷是根据经验公式推导出来的，它是对某一类型的船舶波浪载荷的总结，不同的船级社规范，其采。

用的经验公式不相同；而采用ｗａｌ软件直接计算的波浪载荷考虑到了船舶主尺度、线型、装载、浮。

态，当前海况环境、航行条件等，在处理实际问题时，它比规范计算的波浪载荷要更实用。在后面章节中，波浪力均采用ｗａｌ软件计算。

等值梁法。基于线弹性理评估船舶总纵强度的传统方法是等值梁法，它把漂浮在水面上的船舶当成一根梁。

论，认为船体总纵弯曲应力在剖面高度方向上呈线性分布，如式（１）和图２所示。

一。式中，为计算剖面上的弯矩；为横剖面绕水平中和轴的惯性矩；ｚ为计算点至中和轴的距离。

中葺ｉｌ■图２等值梁法。

在中和轴处，船体总纵弯曲应力为零；在甲板或外底处弯曲应力达到最大。当船舶处于中拱状态时，甲板受拉，船底外板受压；中垂状态则与之相反。等值梁法以剖面等高处的平均应力水平来评估。

船体强度。在计算完整船体总纵强度时，等值梁法方便、准确，许多船级社都将其引入规范。基于等。

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值梁法的总纵强度计算程序应用非常普遍。

根据《钢制海船入级规范２０１散货船各破损工况下总纵强度的计算结果如表４所示。

表４散货船总纵强度计算。

根据等值梁法的计算结果，破损工况下的散货船在有义波高为以及超越概率为１．０水平时，船体构件弯曲和剪切应力能满足规范要求，且弯曲应力余量较剪切应力大。

有限元方法。

建立舱段结构三维有限元模型，将船体结构离散成有限个单元。根据各构件的实际受力情况，分。

别用梁、板、壳和杆等单元来模拟。这样可以将各个构件间的协调关系详尽地描述出来，真实地反映船体结构细节。通过大规模有限元分析求解，可以求出船体舱段破损工况下各主要构件的变形与应力。

采用通用有限元软件分别对散货船２号货舱破损工况、３号货舱破损工况、４号货舱破损工况进行结构强度校核和分析。４．有限元模型。

在ｐａｔ模型中，采用右手坐标定则，坐标原点取在艉垂线与基平面的交点。轴沿船长指向船。

艏为正；】，轴沿船宽指向左舷为正；ｚ轴垂向向上为正。全船板材大多数采用四边形ｑｕａ单元，局部。

区域采用了三角形ｔｒｉ单元，模型中的骨材和加强筋均采用二节点ｂｅａ或ｒｏｄ单元，并对船体破损区。

域作细化处理。图３所示为２号货舱破损结构模型，图４所示为破损区域局部细化模型。

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当譬。当＞譬。

卜去。式中，ｘ、为板格长边、短边方向；、ｋ为短边、长边受压弯曲屈曲系数；‰为剪切屈曲系数；ｃｌ均为边界约束系数；为材料弹性模量；为材料泊松比；ｔ为板格厚度；ｓ为板格的短边长度；ｒ。

为材料的屈服应力；＝ｒ

在平台上使用。

插件，对破损工况的屈曲强度进行校核，各主要纵向构。

件的屈曲因子如表６所示：屈曲因子１表示校核的板格满足屈曲强度衡准；屈曲因子＜１表示。

校核的板格不满足屈曲强度衡准。

表６破损工况主要纵向构件最小屈曲因子。

根据屈曲计算结果，在各破损工况下均有部分板格发生屈曲。在本节的屈曲计算中，构件板厚取值是提供厚度减去０．５倍的腐蚀厚度。对于新建船舶，表７所列的屈曲结果偏于保守。

而对于老龄船舶破损工况，在船底板和舷侧（破口附近）处很容易发生屈曲失稳，严重影响板格的承载能力，可能会引发海难事故。

结论。１）船体破损进水后，船体承受的载荷与结构实际承载能力发生变化。分别采用等值梁法与舱段。

有限元法评估破损工况下的船体结构屈服强度，各构件弯曲和剪切应力能满足相应衡准要求。有限元计算结果表明，各破损工况下均有板格发生屈曲。

２）采用等值梁法考察横剖面等高处的构件应力时，忽略了应力沿船宽方向的变化，而且该方法不能准确地考虑不连续纵向构件以及船体沿船长方向渐变的影响，在应用时有一定的局限性。

３）有限元法可以更为合理地定义和描述船舶航行中承受到的各种载荷，详细反映船体构件之间。

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的相互作用，有利于得到船体构件在各种载况和波浪载荷下的应力水平。

４）目前规范中关于船舶破损工况的校核主要是针对极限强度展开的，详细的有限元分析计算还。

同嘲。比较少见。本文针对散货船特定破损工况提出了有限元分析方法，可以为今后破损实例计算提供参考，对于保证船舶航行安全具有积极意义。参考文献。

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中国船级社．散货船结构强度直接计算指南［ｓ］北京：中国船级社，２０蔡尊德，王钰，陆雯雯，等．船舶应急响应服务［ｊ］航海技术罗志明．破损船体总纵弯曲应力分布及计算［ｄ］武汉：武汉理工大学，２０顾晔昕，汤明文．散货船破损总纵强度计算结果与分析［ｊ］上海造船。

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贺俊松，彭文科．船舶波浪载荷的短期极值经验公式［ｊ】中国造船中国船级社．钢质海船入级规范【ｓ］北京：中国船级社，２０

作者简介。夏。

雪。女，９８年生硕士，助理研究员。现从事船舶结构设计与研究工作。女，９８年生硕士，工程师。现从事船舶结构设计与研究工作。

张小雅。乔继潘男，９９年生硕士。现从事船舶结构设计与研究工作。

金允龙姜金辉。

男，９６年生硕士，研究员。现从事船舶结构设计与研究工作。女，１９年生，硕士，副研究员。现从事船舶结构设计与研究工作。

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