超大型集裝箱船體結構極限強度研究方法

肖聲浩，張會霞，趙 照

（江蘇海洋大學 馬卡洛夫海洋工程學院，江蘇連云港 222005）

0 引言

超大型集裝箱船（Ultra Large Container Ship,ULCS）是一種用于裝載國際標準集裝箱的運輸類船舶。近幾年來，國內外集裝箱海運貿易需求不斷增加，然而實際運力短缺的現象日益嚴重。我國越來越重視中大型集裝箱船的研發與運用。隨著船舶自身重量的提升，對船體結構的要求也要達到更高一層次的水平。相比較于一般的集裝箱船而言，超大型集裝箱船擁有較大的船身，更大的穩定性要求和更多的高強度鋼的使用場景等特點。對于船體結構的研究來說，船舶應力集中和船體結構剛度降低等問題也不可忽視。

船舶的崩壞不是立即崩壞的，而是有一個循序漸進的過程。其多數原因是在船舶某個斷面上的一個強度或剛度相對較弱的構件在屈服或者屈曲的作用下失去有效承擔載荷的能力，致使船舶的剛度降低。在這個斷面上的其他構件則必須承擔此失效構件傳遞來的載荷，這時船舶依然可以正常使用。但由于腐蝕隨著越來越多的構件發生破壞，使得船舶剛度進一步降低，直到船舶變形驟增而發生船舶崩壞。因此，研究船體結構極限強度對超大型集裝箱船非常必要。

本文主要對迭代增量法、理想結構單元法和非線性有限元法等應用較為廣泛的船體結構極限強度研究方法進行介紹，并提出相關建議。

1.船體結構極限強度的研究方法

1.1 迭代增量法

迭代增量法是最常用的船體結構極限強度方法之一，又被稱為Smith法。該方法的核心是計算船體各構件的極限強度，再經過多次迭代計算，進而計算出船體梁逐步崩壞的過程。事實上，迭代增量法就是一種船體的極限強度的簡化算法，該方法的要點在于準確劃分出相互的獨立結構單元，并確定其應變-應力曲線。

在使用迭代增量法時，首先要確定船舶中心軸的位置，計算因曲率改變引起的各結構單元的應變，并計算各結構單元的應力，進而繪制應變-應力曲線。其次，將應力的影響和本身的載荷記為合力并假定平衡，重新計算出中心軸的位置，并對中心軸的位置進行校核。最后，計算匯總每個結構單元的影響應力貢獻，并計算在對應曲率下的彎矩，作出彎矩-曲率曲線，船舶的極限強度將在彎矩-曲率曲線的極值處出現。若當前的彎矩-曲率曲線尚未出現極值，則繼續對曲率進行循環迭代，直至極值出現。彎矩-曲率曲線的極值即為極限彎矩。

劉旭東等[1]改進了Smith法并且開發了基于HCSR規范的Smith法程序，研究了在2個彎矩同時作用下的船體極限強度并完成了評估。ZHANG等[2]使用Smith法研究了一艘小型集裝箱船的船體梁極限強度，并且分析了舷頂列板對船體極限承載力的影響。ANDRIC等[3]使用Smith法研究了內河運輸中型集裝箱船舶在扭矩作用下船體梁的失效形式，并作出了優化設計。

1.2 非線性有限元法

自從20世紀中葉計算機的誕生和計算機應用的迅速發展，非線性有限元法（Finite Element Method,FEM）逐漸成為研究船體結構極限強度的較為重要的研究方法，已廣泛應用于對船體的極限強度的分析研究。非線性有限元法通過引入梁單元，板單元等各種結構單元，結合各種應用中的非線性因素，建立起非線性有限元模型。在使用不同形式的合理的邊界條件，選取的結構單元準確時，非線性有限元法能夠很好地給出不同工況下該結構較為貼合的極限強度數據。

如今，各種有限元軟件得到普及與運用，ANSYS、MARC、ABAQUS等軟件均能精確計算船體結構極限強度。雖然非線性有限元法的計算精度高于其他方法，但也存在一些不足之處，如當所需計算的結構過于大型化和復雜化時，計算時間會呈幾何級上漲的趨勢，耗時長，出成果慢。

溫巍等[4]對船體梁等結構在不同載荷下的極限強度問題進行了研究，闡述了有限元分析計算的基本思路和主要步驟，運用有限元分析軟件ANSYS進行了有限元分析計算，并在此基礎上對艙門和艙壁進行了的結構優化設計。謝天[5]運用Smith法描述船體結構的崩壞模式，并提出了基于全壽命周期的船體結構極限強度計算方法。袁園[6]在Smith法的基礎上考慮缺陷的時變效應，利用有限元分析軟件ANSYS計算船體極限強度。王崇磊[7]對超大型集裝箱船聯合載荷作用下極限強度進行研究，結構單元的劃分情況見圖1。

圖1 結構單元的劃分

1.3 理想結構單元法

理想結構單元法（Idealized Structural Unit Method, ISUM）依舊采用有限元的思想，使用連續矩陣求解船體結構極限強度。相比于非線性有限元法，理想結構單元法將非線性有限元法中的非線性元素全部理想化，然后包含于各結構單元中，并且運用較大的結構單元來模擬現實船舶結構，從而減少建模難度，大幅縮短計算時間。在研究大型船體結構時，理想結構單元法的優勢更加明顯。

馬中原[8]運用理想結構單元法對典型船體結構極限強度進行研究，得到了加筋板的典型崩壞模態，并計算了典型加筋板的極限強度，分析集裝箱船船體結構在不同類型載荷作用下崩壞行為的差異。師桂杰[9]利用優化設計出集裝箱船的船體極限強度相似模型，完成了集裝箱船總縱極限強度模型試驗，并運用ISUM求解船體結構的極限強度。

2 結論

隨著國內外經濟復蘇的迫切需求，超大型集裝箱船的發展越來越得到重視，其中集裝箱船的安全性以及穩定性尤為重要，研究船體的極限強度也就顯得尤為重要。本文主要歸納和總結了迭代增量法、理想結構單元法和非線性有限元法等應用較為廣泛的船體結構極限強度研究方法的基本思路和優缺點。在此基礎上，提出了未來超大型集裝箱船船體結構極限強度研究方法的改進建議。