船舶破舱后船体剩余强度思考

王文刚

【摘 要】在经济发展全球化与国际经济贸易往来密切化的社会背景下，为防止船舶破舱后酿成更大的经济损失与人员伤亡，如环境污染、沉船事故等，需对破舱后船体剩余强度进行充分地评估，以便救援单位制定科学合理的技术措施进行船舶施救。文章以船舶破舱后剩余强度计算的必要性为切入点，根据其计算原理，对破损船体的剩余强度进行了重点分析，旨在为同行提供借鉴参考。

【关键词】船舶 破损 剩余强度 计算原理 思考

随着经济的发展和贸易往来的日益密切，远洋船舶在经济贸易中发挥着至关重要的作用。由船舶碰撞所致的船体破损、人员伤亡、货物损坏、油品泄露等问题尤为突出。一旦船体发生破损，一方面会减弱船体结构的使用强度；另一方面也会因船舶内进水导致舷外水载荷与最终悬浮状态发生改变。由此可见，有必要加强对船舶破舱后的剩余强度进行研究。

1船舶破舱后船体剩余强度分析的必要性

不论从船舶的经济性因素、安全性因素，还是从环境保护的角度来看，研究船舶破舱后船体的剩余强度，有利于对船体的剩余强度进行快速合校核，有利于保障海上生命的安全，有利于提高救援工作效率。

2船舶破舱后船体剩余强度的有限元法理论

2.1有限元法的分类

有限元法可分为非线性有限元法与线性有限元法两类。本文对船体结构破损的研究主要通过非线性有限元法进行。

非线性有限元法又可分为三类：第一，材料非线性，因始终假设以无限小量为位移分量，非线性结果则仅由应变关系与应力关系而得出，所以，仍旧能够使用应变与应力对其进行描述。但材料的应力与应变性质容易受环境温度、加载历史、加载时长等的影响；第二，几何非线性，由于非线性关系始终发生在位移之间，所以容易产生几何非线性；第三，状态非线性，状态非线性多由系统刚度与边界条件所致，譬如摩擦、接触等。因系统状态始终处于变化态势，导致系统刚度与边界条件也会不断地变动，如此即形成了状态非线性问题。

2.2非线性基础原理

对于几何非线性或材料非线性问题的计算分析，需在对有限个单元进行离散分类后，将其简化为N变量，经N个方程组共同构成非线性方程组。

Ψ1（1????，αN）=0， ①

ΨN（α1????，αN）=0， ②

公式中，（α1????，αN）代表未知量；Ψ1 ????ΨN代表N维Euclid空间开域D上的实时函数，它们通常是α1????，αN的非线性函数。若在其中引用相关矢量记号，则得出：

=[α1????，αN]T， =[Ψ1????ΨN]T， ③

=[0????，0]

根据上述方程，可将其简化为下述矢量方程：

=（ ）= ④

为重点强调力学含义，可对方程④进行改写，公式如下：

（ ）= （ ）— = ⑤

公式中 表示尚未明确的节点位移矢量； （ ）表示节点力矢量，重点突出内力的等效节点； 代表节点力矢量，重点突出载荷的等效节点。非线性问题中任意自由度的平衡，均可根据上述公式中的矢量方程进行核算。从增量方面来说，公式中的 、 均可分别理解为位移矢量增量与载荷矢量增量。

3船舶破舱后船体剩余强度分析

3.1船舶破舱后船体剩余强度指标

3.1.1以剖面模数为基础的指标评估

以剖面模数为基础的剩余强度评估定义阐释可利用公式进行表示：

fS=w/wr，其中，w、wr分别代表船舶破舱后船体的有效剖面模数及具有要求的船舶破舱后船体的有效剖面模数。

3.1.2以极限强度为基础的评估

（1）船舶破舱后的破损弯矩与极限载荷相互对比所导至的安全余度：剩余强度因子（Residual Resistance Factor，RRF）能够对破损后载荷余度相对于完整状态下的极限载荷度进行评估，RRF=船舱破舱后载荷极值/完整状态下的极限承载能力。若RRF<1，则表示船舶破舱后载荷并没有超出船体所能够承受的极限载荷力；若RRF>1，其状态则与之相反，在进行船舶抢修或拖拽时，既有可能进一步破坏船体，造成船舶断裂。

（2）从提高设计载荷与破舱后载荷规范指标所导至的安全余度：通过利用系数（Usage Factor）来对设计载荷相对于破舱后载荷的余度及极限承载力的安全余度进行分析，其公式如下：设计安全余度：UFD=1—MC/Mt，剪力利用系数：UFF=（FS+FW）/FC，弯矩利用系数：UFM=（MS+Mw）/Mc，公式中，FS、FW、MS、Mw、分别代表破舱后船体能够承受的剪力与弯矩；Mt、MC、FC分别代表极限承载力及规范之后的设计载荷。如果剪力、弯矩利用系数均大于1，则表示设计载荷低于破舱后船体的载荷，反之，则代表船舱处于安全状态。

与剪力与弯矩利用系数相比，设计安全余度同样需将船舶破舱后所能承受的极限载荷与规范设计之后的载荷之间的相关关系考虑在内，其大小则表示安全余度。

3.2规范设计载荷计算

（1）船体梁剖面计算：船体梁剖面计算公式如下：W=ak1K2LBD，其中，L、B、D、a、k1、K2分别代表船舶长度；船舶宽度；船型深度；航区系数，通常情况下分为A、B、C三级航区，取值分别为：1、0.85、0.75；系数，k1=0.303L0.3+36.2/L-0.628；系数，K2=2.44—2.89Cb+1.4C2b，Cb表示方形系数，当Cb值低于0.6时，取其值为0.6；当Cb值大于0.85时，取其值为0.85。

当船厂在50m以上时，船体剖面与水平中和轴之间的惯性矩1需大于根据下述公式所计算的数值：I=3.5WOL*10-2 cm2*m2。

（2）油船规范设计载荷计算：将型船参数代入，根据上述公式计算可得： =1.90*10KN*m， =2.18*104KN。

4结语

综合上述分析可知，船舶强度研究属于一项复杂而精细的工程项目类型，需考虑诸多因素的影响后进行剩余强度的计算，以加快船舶救援速率，减少沉船事故的发生。

参考文献：

[1]冯国庆，李辉.《船舶与海洋工程结构疲劳强度》研究生课程知识体系构建研究[J].教育教学论坛，2015，（30）.

[2]夏雪，姜金辉.破损船舶结构校核方法研究[J].中国造船，2015，（03）

[3]黄衍顺，王珊珊.破舱进水对船舶横摇运动的影响[J].天津大学学报，2012，（07）.