王文剛

【摘 要】在經(jīng)濟(jì)發(fā)展全球化與國(guó)際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易往來(lái)密切化的社會(huì)背景下，為防止船舶破艙后釀成更大的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡，如環(huán)境污染、沉船事故等，需對(duì)破艙后船體剩余強(qiáng)度進(jìn)行充分地評(píng)估，以便救援單位制定科學(xué)合理的技術(shù)措施進(jìn)行船舶施救。文章以船舶破艙后剩余強(qiáng)度計(jì)算的必要性為切入點(diǎn)，根據(jù)其計(jì)算原理，對(duì)破損船體的剩余強(qiáng)度進(jìn)行了重點(diǎn)分析，旨在為同行提供借鑒參考。

【關(guān)鍵詞】船舶 破損 剩余強(qiáng)度 計(jì)算原理 思考

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和貿(mào)易往來(lái)的日益密切，遠(yuǎn)洋船舶在經(jīng)濟(jì)貿(mào)易中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由船舶碰撞所致的船體破損、人員傷亡、貨物損壞、油品泄露等問(wèn)題尤為突出。一旦船體發(fā)生破損，一方面會(huì)減弱船體結(jié)構(gòu)的使用強(qiáng)度；另一方面也會(huì)因船舶內(nèi)進(jìn)水導(dǎo)致舷外水載荷與最終懸浮狀態(tài)發(fā)生改變。由此可見(jiàn)，有必要加強(qiáng)對(duì)船舶破艙后的剩余強(qiáng)度進(jìn)行研究。

1船舶破艙后船體剩余強(qiáng)度分析的必要性

不論從船舶的經(jīng)濟(jì)性因素、安全性因素，還是從環(huán)境保護(hù)的角度來(lái)看，研究船舶破艙后船體的剩余強(qiáng)度，有利于對(duì)船體的剩余強(qiáng)度進(jìn)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船舶破艙后船體剩余強(qiáng)度的有限元法理論

2.1有限元法的分類(lèi)

有限元法可分為非線(xiàn)性有限元法與線(xiàn)性有限元法兩類(lèi)。本文對(duì)船體結(jié)構(gòu)破損的研究主要通過(guò)非線(xiàn)性有限元法進(jìn)行。

非線(xiàn)性有限元法又可分為三類(lèi)：第一，材料非線(xiàn)性，因始終假設(shè)以無(wú)限小量為位移分量，非線(xiàn)性結(jié)果則僅由應(yīng)變關(guān)系與應(yīng)力關(guān)系而得出，所以，仍舊能夠使用應(yīng)變與應(yīng)力對(duì)其進(jìn)行描述。但材料的應(yīng)力與應(yīng)變性質(zhì)容易受環(huán)境溫度、加載歷史、加載時(shí)長(zhǎng)等的影響；第二，幾何非線(xiàn)性，由于非線(xiàn)性關(guān)系始終發(fā)生在位移之間，所以容易產(chǎn)生幾何非線(xiàn)性；第三，狀態(tài)非線(xiàn)性，狀態(tài)非線(xiàn)性多由系統(tǒng)剛度與邊界條件所致，譬如摩擦、接觸等。因系統(tǒng)狀態(tài)始終處于變化態(tài)勢(shì)，導(dǎo)致系統(tǒng)剛度與邊界條件也會(huì)不斷地變動(dòng)，如此即形成了狀態(tài)非線(xiàn)性問(wèn)題。

2.2非線(xiàn)性基礎(chǔ)原理

對(duì)于幾何非線(xiàn)性或材料非線(xiàn)性問(wèn)題的計(jì)算分析，需在對(duì)有限個(gè)單元進(jìn)行離散分類(lèi)后，將其簡(jiǎn)化為N變量，經(jīng)N個(gè)方程組共同構(gòu)成非線(xiàn)性方程組。

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維Euclid空間開(kāi)域D上的實(shí)時(shí)函數(shù)，它們通常是α1????，αN的非線(xiàn)性函數(shù)。若在其中引用相關(guān)矢量記號(hào)，則得出：

=[α1????，αN]T， =[Ψ1????ΨN]T， ③

=[0????，0]

根據(jù)上述方程，可將其簡(jiǎn)化為下述矢量方程：

=（ ）= ④

為重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)力學(xué)含義，可對(duì)方程④進(jìn)行改寫(xiě)，公式如下：

（ ）= （ ）— = ⑤

公式中 表示尚未明確的節(jié)點(diǎn)位移矢量； （ ）表示節(jié)點(diǎn)力矢量，重點(diǎn)突出內(nèi)力的等效節(jié)點(diǎn)； 代表節(jié)點(diǎn)力矢量，重點(diǎn)突出載荷的等效節(jié)點(diǎn)。非線(xiàn)性問(wèn)題中任意自由度的平衡，均可根據(jù)上述公式中的矢量方程進(jìn)行核算。從增量方面來(lái)說(shuō)，公式中的 、 均可分別理解為位移矢量增量與載荷矢量增量。

3船舶破艙后船體剩余強(qiáng)度分析

3.1船舶破艙后船體剩余強(qiáng)度指標(biāo)

3.1.1以剖面模數(shù)為基礎(chǔ)的指標(biāo)評(píng)估

以剖面模數(shù)為基礎(chǔ)的剩余強(qiáng)度評(píng)估定義闡釋可利用公式進(jìn)行表示：

fS=w/wr，其中，w、wr分別代表船舶破艙后船體的有效剖面模數(shù)及具有要求的船舶破艙后船體的有效剖面模數(shù)。

3.1.2以極限強(qiáng)度為基礎(chǔ)的評(píng)估

（1）船舶破艙后的破損彎矩與極限載荷相互對(duì)比所導(dǎo)至的安全余度：剩余強(qiáng)度因子（Residual Resistance Factor，RRF）能夠?qū)ζ茡p后載荷余度相對(duì)于完整狀態(tài)下的極限載荷度進(jìn)行評(píng)估，RRF=船艙破艙后載荷極值/完整狀態(tài)下的極限承載能力。若RRF<1，則表示船舶破艙后載荷并沒(méi)有超出船體所能夠承受的極限載荷力；若RRF>1，其狀態(tài)則與之相反，在進(jìn)行船舶搶修或拖拽時(shí)，既有可能進(jìn)一步破壞船體，造成船舶斷裂。

（2）從提高設(shè)計(jì)載荷與破艙后載荷規(guī)范指標(biāo)所導(dǎo)至的安全余度：通過(guò)利用系數(shù)（Usage Factor）來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)載荷相對(duì)于破艙后載荷的余度及極限承載力的安全余度進(jìn)行分析，其公式如下：設(shè)計(jì)安全余度：UFD=1—MC/Mt，剪力利用系數(shù)：UFF=（FS+FW）/FC，彎矩利用系數(shù)：UFM=（MS+Mw）/Mc，公式中，F(xiàn)S、FW、MS、Mw、分別代表破艙后船體能夠承受的剪力與彎矩；Mt、MC、FC分別代表極限承載力及規(guī)范之后的設(shè)計(jì)載荷。如果剪力、彎矩利用系數(shù)均大于1，則表示設(shè)計(jì)載荷低于破艙后船體的載荷，反之，則代表船艙處于安全狀態(tài)。

與剪力與彎矩利用系數(shù)相比，設(shè)計(jì)安全余度同樣需將船舶破艙后所能承受的極限載荷與規(guī)范設(shè)計(jì)之后的載荷之間的相關(guān)關(guān)系考慮在內(nèi)，其大小則表示安全余度。

3.2規(guī)范設(shè)計(jì)載荷計(jì)算

（1）船體梁剖面計(jì)算：船體梁剖面計(jì)算公式如下：W=ak1K2LBD，其中，L、B、D、a、k1、K2分別代表船舶長(zhǎng)度；船舶寬度；船型深度；航區(qū)系數(shù)，通常情況下分為A、B、C三級(jí)航區(qū)，取值分別為：1、0.85、0.75；系數(shù)，k1=0.303L0.3+36.2/L-0.628；系數(shù)，K2=2.44—2.89Cb+1.4C2b，Cb表示方形系數(shù)，當(dāng)Cb值低于0.6時(shí)，取其值為0.6；當(dāng)Cb值大于0.85時(shí)，取其值為0.85。

當(dāng)船廠(chǎng)在50m以上時(shí)，船體剖面與水平中和軸之間的慣性矩1需大于根據(jù)下述公式所計(jì)算的數(shù)值：I=3.5WOL*10-2 cm2*m2。

（2）油船規(guī)范設(shè)計(jì)載荷計(jì)算：將型船參數(shù)代入，根據(jù)上述公式計(jì)算可得： =1.90*10KN*m， =2.18*104KN。

4結(jié)語(yǔ)

綜合上述分析可知，船舶強(qiáng)度研究屬于一項(xiàng)復(fù)雜而精細(xì)的工程項(xiàng)目類(lèi)型，需考慮諸多因素的影響后進(jìn)行剩余強(qiáng)度的計(jì)算，以加快船舶救援速率，減少沉船事故的發(fā)生。

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