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
2、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
3、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
4、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216万吨的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
5、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
6、，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
7、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Caldwell2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。Ma
8、estro 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
9、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。Hughes26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、
10、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
11、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Nishi
12、hara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。Pa
13、ik 14基于ISUM开发了船体梁极限强度分析程序ALPSISUM ，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，开发了应用于船体结构极限强度分析程序SANDY，并进行了一系列数值计算。运用数值方法计算船体结构极限承载能力，事先需要对结构的非线性特性作深入了解，根据实践经验选取合理可靠的求解策略，另外，还需要花费数值建模、求解分析的时间。2.2 国内进展情况国内主要偏向逐步破坏方法的研究(、 和、分别是直接计算和有限元计算方法的范畴)，主要有：魏东 16偏向研究船型对极限弯矩及曲率变化的影响，并对具有腐蚀、疲劳损伤的船体结构总纵强度进行可靠
14、性评估；何福志等 17建立了船体梁极限承载能力计算方法和计算程序，主要偏向研究加筋板单元应力应变关系、横向压力、残余应力、材料特性和腐蚀对船体梁极限强度的影响，并进行了大量的对比计算和时变可靠性分析；孙海虹等 18采用逐步破坏分析方法对ISSC+2000 特殊委员会的对比研究的算例进行船体梁极限承载能力计算和受海水腐蚀影响的船体结构极限强度可靠性分析；胡毓仁 19在平板、加筋板拉伸与压缩特性研究的基础上，建立了船体梁极限强度简化分析方法，并进行一系列计算比较；祁恩荣等 20在假设船体梁整体弯曲破坏时剖面中性轴受拉一侧全部达到塑性极限，受压-N全部达到屈服极限，开发了受损船体非对称弯曲极限强度分
15、析方法。徐向东等 21根据箱型梁极限承载能力的模型试验结果，箱型梁模型达到极限状态时，中和轴附近的弹性区域高度约为型深的三分之一，据此假设剖面极限状态应力分布，给出了直接计算极限弯矩的公式。朱胜昌等 22运用有限元方法，基于sap5有限元分析的专用程序，开发了船体结构专用的有限元分析程序，并进行整船结构强度计算。郭昌捷等 23对ISUN(理想单元法 )进行了局部改进，被用于估算散货船及油船碰撞后的极限强度。2.3 船体结构极限强度的试验研究船体结构极限强度的研究成果其可靠度很大程度上依赖于船体结构模型的极限承载能力试验验证。迄今为止，对船体结构进行极限强度试验研究开展的并不多。2.3.1 实船
16、试验英国历史上于20世纪初首次对“wolf”号驱逐舰进行了实船强度试验 24 ，虽然在弹性范围内进行的，但得出了重要的结论：当利用梁理论时，对承受弯曲压缩的构件的有效性必须进行检查。美国于19301931年对“Preston” 号和“Bruce”号驱逐舰进行了实船试验 25 。“Preston”和“Bruce”号的试验都加载到分别在中垂和中拱情况下崩溃为止。根据试验分析，“Preston”号甲板和 “Bruce”号船底结构的屈曲崩溃导致了船体梁的总体崩溃。英国于19491950年，对一条未完成建造的驱逐舰“Albuera”号进行了崩溃试验 26。对该船在弹性范围内施加了中拱弯矩，直到船底结构压
17、缩屈曲屈服和船侧板中剪切屈曲所造成的船体总体崩溃。由于实船试验的耗费十分巨大，尤其是进行船体结构极限强度实船试验更是如此。另外，对实船进行强度试验非常困难。因此，迄今为止，实船试验进行得很少，更多的时候是进行船体结构模型试验2.3.2 模型试验Sugimura等 27以一条Nami级防卫舰为原型，以1 5的比例建立一个焊接：昭体梁模型进行了崩溃试验。Dow等 28以一条Leander 级的护卫舰为原型，以13的比例建立一个焊接船体模型进行了崩溃试验。模拟实船的中垂状态，模型施加中垂弯矩。试验结果是甲板及舷侧板上部分结构的屈曲导致了剖面的全面崩溃。Endo等 29对船体梁模型进行了一系列的崩溃试
18、验，试验模型并不是完全按照实船的精确比例。试验中同时施加弯矩和剪力。试验结果为受压甲板的屈曲及受剪舷侧的屈曲是引发整个剖面崩溃的原因。Yao等 30对船体梁模型进行了一系列崩溃试验，试验模型不完全按照实船的精确比例。试验是在中垂状态下进行的。试验结果为作为甲板的加筋板发生整体屈曲以及舷侧上部板出现局部屈曲时，发生剖面的全面崩溃。Dowling等 31和Recking 等 32分别进行了小尺度箱形梁结构模型的纯弯曲试验研究，并给出了试验结果和相关理论计算结果。Ostapenko等 33对3个箱形梁进行了受组合弯曲、剪切和扭转载荷的系列崩溃试验研究。Nishihara 34进行了箱形梁模型的纯弯曲
19、试验研究，给出了试验结果和相应的理论计算数据。Mansour5也进行了模型试验研究，其中一个模型模拟75 600 DWT 单壳油轮的崩溃状态，另一个模型模拟不同的崩溃模式，试验中施加了分布侧向压力用以模拟实船的水压力。在国内，杨平 35对内河：重载船舶进行了极限强度的模型试验，并用以验证他提出的极限强度计算方法。徐向东等 21进行了箱形梁的极限承载能力的试验，并在试验的基础上提出了估算船体箱形梁极限强度的解析计算方法。还有其他的一些学者也进行了类似的试验研究。2.4极限强度可靠性研究概况结构可靠性原理和方法从二十世纪50年代起首先在航空，而后在土木工程中得到运用，在船舶结构中的研究始于二十世纪
20、60年代。前苏联的叶基莫夫首先将概率论的基本原理和方法应用与船舶结构力学。其中，Kmiecik和Guedes Soares 36应用响应面方法板极限强度的概率分布。根据非线性有限元预测结果建立了受压无加筋板的极限强度的线性拟合；Zheng和Das 37采用一个新的响应面方法对加筋板进行了可靠性分析；Incecik 和pu 38采用确定的和不确定两种方法预测了FPSO的结构强度：Yang等 39引入模糊理论进行船舶总纵强度可靠性分析中。3 船体结构极限强度研究的展望在船体结构极限强度分析的现有方法中，经验方法是基于始屈弯矩的，直接方法是基于弹性分析和假定应力分布的基础上的，而其他的方法则具有跟踪
21、船体梁渐进崩溃全过程的能力。虽然这些方法得到了很大的发展，但需要在以下方面进行深入研究：(1)直接方法虽然在实际应用中简单方便，但其在理论上和适用性上存在不足。需要进一步研究，扩大其适用性。对于不同船型，需要调整船体梁极限状态下的应力分布的假定形式。(2)逐步破坏分析法是最有效的方法，但该方法的精度很大程度上依赖于单元的应力一应变关系。因此，需要研究具有完善理论背景的、计及各种影响因素的和更加精确合理的单元平均应力一应变关系。(3)用常规非线性有限元方法可以计算船体梁的极限强度，但该方法是一个十分烦杂的工作，计算规模大且计算时间长。因此有必要通过研究，减少建立模型的繁琐工作和减少计算规模和计算
22、时间。(4)理想结构单元法是一个有效的计算船体梁极限强度的方法，但需要进一步开发研究更合理的ISUM 单元，使其既能模拟单元在压力下的极限状态，也能计及后极限强度阶段的局部屈服和变形。(5)现有的极限强度的计算方法主要是静态比例加载，且只考虑船体梁的弯曲，除了进一步研究船体梁的扭转、横向载荷对船体梁极限强度的影响外，还需要研究动力载荷下船体承载力(6)通过对现有的计算和试验结果相比较，发现船体梁极限强度分析的结果之间具有相当大的差异。因此，需要对现有计算分析方法在理论上和方法上的不足进行改进。对影响船体梁极限强度的诸多随机因素进行进一步的全面深入地认识和研究。(7)对于一些新型船型，如双体船、
23、三体船等，这类船型的极限强度的研究进行得更少，需要进一步的研究。(8)需要加强复杂承载状态下的船体结构极限强度的试验研究4 参考文献l万正权船舶结构极限强度研究进展江苏无锡：i11 1142 Caldwell J BUltimate Longitudinal StrengthRINA，1965，V01107：4174303 Nishihara S，Analysis of ultimate strength of stiffened rectangular plateon the uItimate bending moment of ship hull girderJSoc Naval Arch
24、 Of Japan，1988，163：322 3334 Maestro MMarino AAn assessment of the structural capacity of damaged ships：the plastic approach in longitudinal unsymmetrical bending and influence of buoklingIntShipbui Iding Progress，1989，36(408)：2552655MansourAEYang J Meta1An experimentalinvestigation of ship hull ulti
25、mate strengthSNA皿Trans98，1990：41 14396 Smith C SInfluence of Local compressire Failure on ultimate Longitudinal Strength of a Ship Hull_PRADS 771977：73797 DoT R S，Hugill R C et al，。Evaluation of ultimate ship hull strength，Extreme Load Response Symposium SNAME Trams 891981：1331478 Gordo J M，Guedes S
26、oares CApproximate Load Shortening Curves for Stiffened Plates under Uniaxial CompressionProc Integrity of Offshore Structures 5，EMAS，1993：1892119 Chen Y KKutt L m et a1Oltimate Strength of Ship Structures，SNAME Trans 9l，1983：14916810Valsgaard S，Jorgensen J et a1Ultimate hull girder strength margins
27、 and present class requirementsProcSNAME SyrupOn Marine Structural Inspection，Maintenance and Monitoring，Arlington，1991：1-1911Hansen A MStrength of midship sectionsMarine structures1996：471494 12Yao T，Sumi Y et a1Analysis of the accident of the MV Naldaodka，part 2，estimation of structural strengthJo
28、f Marine Science and Technology，1988：181 19313Ueda Y Yao T et a1The plastic node methods：a new method of plastic analysis，CompMethods in ApplMechEng ，1982：1089一110414Paik J K，Thayamballi A K et a1，UItimate sthength of ship hulls under combined vertical bending，horizontal bending，and shearing forces，
29、Trans SNAME 104，1996：315915Bai Y， Bendiksen E et a1 Collapse analysis of ship hulis MarineStructures，1993，6：48550716魏东，张圣坤逐步破坏法计算船体梁极限强度及应用首届船舶与海洋工程结构力学学术讨论会论文集，江西九江：199917518117何福志，万正权船体结构总纵极限强度的简化逐步破坏分析船舶力学，2001，5(5)： 21-3518孙海虹，肖桃云等考虑腐蚀影响的船体梁极限承载能力时变可靠性分析中国造船， 2000，41 (2)：4cI-5719胡毓仁，孙久龙船体总纵极限强度简
30、化计算方法的发展首届船舶与海洋工程结构力学学术讨论会论文集，江西九江：199922523320祁恩荣，彭兴宁破损船体非对称弯曲极限强度分析首届船舶与海洋工程结构力学学术讨论会论文集，江西九江：199913614321徐向东，崔维成等箱型粱极限承载能力试验与理论研究船舶力学， 2000，4(5)： 364322朱胜昌，陈庆强大型集装箱船总纵强度计算方法研究船舶力学， 2001，5(2)： 34-4223郭昌捷，唐翰岫，周炳焕受损船体极限强度分析与可靠性评估中国造船，1998(4)： 495624Hoffmann G HAnalysis of Sir John Biles Experiment o
31、n HMS wolf，in the light of Piazkers theoryJTrans InstNaval Arch，1925，67：416525Kell C OInvestigation of structural characteristicsof destroyers Preston and Bruce，part I descriptionJ TransSNAME，1931，39：36426Lang D W ，W arren W GStructural strength investigation of destroyer AlbueraJTransInstNaval Arch
32、 1952，94：243 28627 Sugimura T，Nozaki M ，Suzuki TDestructive experiment on ship hull model under longitudinal bendingJJournal of the Society of Naval Architects of Japan，1966，119：209 22028 Dow R STesting and analysis of i3-scale welded steel frigate modelAProcOf Int1ConfOn Advances in Marine Structur
33、es，Dunfermline，UK1991：749 77329 Endo H，Tanaka Y，Aoki G ，et a1 Longitudina strength of the fore body of ships suffering from slammingJJournal of the Society of Naval Architects of Japan，1988，163：322 333(in Japanese)30 Yao T， Fujikubo M ，Yanagihara D，et a1Buckling collapse strength of chip carrier und
34、er longitudinalbending(1st report)-Collapse test on 110-scale hull girder model under pure bendingJJournal of theSociety of Naval Architects of Japan，2002，1 91：191 220(in Japanese)31 Dowling P J，Moolani F M The effect of shear lag on the ultimate strength of box girderAProcInt1Confon Steel Structure
35、s，London，1976：108 14932 Reckling K ABehaviour of box girders under bending and shear AProceeding of ISSC79 ，Paris，11246 2 4933 Ostapenko A Strength of ship hull girders under moment，shear and torqueAProcOf SympExtreme Loads Response，Arlington，Virginia ，US A 1981：149 16634 Mansour A E，Yang J M ，Thaya
36、mballi AAn experimental investigation of ship hull ultimate strengthJTransSANAME，1990，98：41143935杨平船体结构极限强度及破损剩余强度的研究D武汉理工大学博士学位论文200536 Zmiecik，mand Guedes Soares，CResponse surface approach to the probabilitydistribution of the strength of compressed plates Marine Structures，2002，15(2)：13915637Zhen
37、g，Y ，Das ，PKImproved response surface method and its application to stiffened plate reliability analysisEngineering Structures，2000，22(5) ： 54455138Incecik， Aand Pu ， YDeterministic and probabilistic assessment of FPSO hull girder strengthProceeding of the Eighth International Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures，20011621 September ，94795339Yang，JMand Huang，JYFuzzy reliability analysis of a ship longitudinal strengthProceeding of the Eighth International Symposium on Practical Design of ships and other Floating Structures，2001，September，931937
