超大型集装箱船体结构极限强度研究方法

肖声浩，张会霞，赵 照

（江苏海洋大学 马卡洛夫海洋工程学院，江苏连云港 222005）

0 引言

超大型集装箱船（Ultra Large Container Ship,ULCS）是一种用于装载国际标准集装箱的运输类船舶。近几年来，国内外集装箱海运贸易需求不断增加，然而实际运力短缺的现象日益严重。我国越来越重视中大型集装箱船的研发与运用。随着船舶自身重量的提升，对船体结构的要求也要达到更高一层次的水平。相比较于一般的集装箱船而言，超大型集装箱船拥有较大的船身，更大的稳定性要求和更多的高强度钢的使用场景等特点。对于船体结构的研究来说，船舶应力集中和船体结构刚度降低等问题也不可忽视。

船舶的崩坏不是立即崩坏的，而是有一个循序渐进的过程。其多数原因是在船舶某个断面上的一个强度或刚度相对较弱的构件在屈服或者屈曲的作用下失去有效承担载荷的能力，致使船舶的刚度降低。在这个断面上的其他构件则必须承担此失效构件传递来的载荷，这时船舶依然可以正常使用。但由于腐蚀随着越来越多的构件发生破坏，使得船舶刚度进一步降低，直到船舶变形骤增而发生船舶崩坏。因此，研究船体结构极限强度对超大型集装箱船非常必要。

本文主要对迭代增量法、理想结构单元法和非线性有限元法等应用较为广泛的船体结构极限强度研究方法进行介绍，并提出相关建议。

1.船体结构极限强度的研究方法

1.1 迭代增量法

迭代增量法是最常用的船体结构极限强度方法之一，又被称为Smith法。该方法的核心是计算船体各构件的极限强度，再经过多次迭代计算，进而计算出船体梁逐步崩坏的过程。事实上，迭代增量法就是一种船体的极限强度的简化算法，该方法的要点在于准确划分出相互的独立结构单元，并确定其应变-应力曲线。

在使用迭代增量法时，首先要确定船舶中心轴的位置，计算因曲率改变引起的各结构单元的应变，并计算各结构单元的应力，进而绘制应变-应力曲线。其次，将应力的影响和本身的载荷记为合力并假定平衡，重新计算出中心轴的位置，并对中心轴的位置进行校核。最后，计算汇总每个结构单元的影响应力贡献，并计算在对应曲率下的弯矩，作出弯矩-曲率曲线，船舶的极限强度将在弯矩-曲率曲线的极值处出现。若当前的弯矩-曲率曲线尚未出现极值，则继续对曲率进行循环迭代，直至极值出现。弯矩-曲率曲线的极值即为极限弯矩。

刘旭东等[1]改进了Smith法并且开发了基于HCSR规范的Smith法程序，研究了在2个弯矩同时作用下的船体极限强度并完成了评估。ZHANG等[2]使用Smith法研究了一艘小型集装箱船的船体梁极限强度，并且分析了舷顶列板对船体极限承载力的影响。ANDRIC等[3]使用Smith法研究了内河运输中型集装箱船舶在扭矩作用下船体梁的失效形式，并作出了优化设计。

1.2 非线性有限元法

自从20世纪中叶计算机的诞生和计算机应用的迅速发展，非线性有限元法（Finite Element Method,FEM）逐渐成为研究船体结构极限强度的较为重要的研究方法，已广泛应用于对船体的极限强度的分析研究。非线性有限元法通过引入梁单元，板单元等各种结构单元，结合各种应用中的非线性因素，建立起非线性有限元模型。在使用不同形式的合理的边界条件，选取的结构单元准确时，非线性有限元法能够很好地给出不同工况下该结构较为贴合的极限强度数据。

如今，各种有限元软件得到普及与运用，ANSYS、MARC、ABAQUS等软件均能精确计算船体结构极限强度。虽然非线性有限元法的计算精度高于其他方法，但也存在一些不足之处，如当所需计算的结构过于大型化和复杂化时，计算时间会呈几何级上涨的趋势，耗时长，出成果慢。

温巍等[4]对船体梁等结构在不同载荷下的极限强度问题进行了研究，阐述了有限元分析计算的基本思路和主要步骤，运用有限元分析软件ANSYS进行了有限元分析计算，并在此基础上对舱门和舱壁进行了的结构优化设计。谢天[5]运用Smith法描述船体结构的崩坏模式，并提出了基于全寿命周期的船体结构极限强度计算方法。袁园[6]在Smith法的基础上考虑缺陷的时变效应，利用有限元分析软件ANSYS计算船体极限强度。王崇磊[7]对超大型集装箱船联合载荷作用下极限强度进行研究，结构单元的划分情况见图1。

图1 结构单元的划分

1.3 理想结构单元法

理想结构单元法（Idealized Structural Unit Method, ISUM）依旧采用有限元的思想，使用连续矩阵求解船体结构极限强度。相比于非线性有限元法，理想结构单元法将非线性有限元法中的非线性元素全部理想化，然后包含于各结构单元中，并且运用较大的结构单元来模拟现实船舶结构，从而减少建模难度，大幅缩短计算时间。在研究大型船体结构时，理想结构单元法的优势更加明显。

马中原[8]运用理想结构单元法对典型船体结构极限强度进行研究，得到了加筋板的典型崩坏模态，并计算了典型加筋板的极限强度，分析集装箱船船体结构在不同类型载荷作用下崩坏行为的差异。师桂杰[9]利用优化设计出集装箱船的船体极限强度相似模型，完成了集装箱船总纵极限强度模型试验，并运用ISUM求解船体结构的极限强度。

2 结论

随着国内外经济复苏的迫切需求，超大型集装箱船的发展越来越得到重视，其中集装箱船的安全性以及稳定性尤为重要，研究船体的极限强度也就显得尤为重要。本文主要归纳和总结了迭代增量法、理想结构单元法和非线性有限元法等应用较为广泛的船体结构极限强度研究方法的基本思路和优缺点。在此基础上，提出了未来超大型集装箱船船体结构极限强度研究方法的改进建议。