计算技术与自动化

船舶结构强度与疲劳强度的计算技术研究

 

随着人们社会的进步,对海洋的探索近乎无止境,所以各类船舶公司的规模不断扩大,相对应的传播修理公司也随之增加,所面临的船舶修理任务也越来越多。在这种情况下,由于出现的各类问题中,如果采取不当的修理方式,反而会进一步降低船舶抵抗风险的能力,甚至适得其反。因此,研究船舶结构的结构强度和疲劳强度,并进行计算分析,然后和船舶的修理工程相结合,从而提高船舶的修理质量,保证船舶结构的安全性。

1 船舶结构强度

船舶的结构力学从本质上来说,就是船体在水中航行的受力甚至变形的情况,而这些在船体的设计过程中,就会对船舶的强度进行计算,通过在对船体结构已经确定的情况下,给定外界传输的荷载,然后进行计算船体的结构强度。为了能够便于计算,需要将船舶的结构简化,并且控制船舶外界所受到的荷载力,从而利用船舶的理论知识来计算船体在水流行进中应力、变形的强度计算。

2 船舶的结构强度分析与计算

船舶的结构强度计算和设计建造时的强度计算是一致的,而在船舶的修理中,这些结构仍然是不变的,哪怕是立法和能量法,位移法和矩阵法,都是不曾改变的。所以在这和过程中可以采取一种结构来进行计算。

2.1 力学求解

这是船舶结构中比较基础,也是比较常用的方法之一,原理就是将不能够将控制的因素去除,形成稳定性的静定结构,如此一来,就能够得到想要的方程式,由于去掉不确定因素后,多出现的变形方程式和元老结构的方程式基本相同。以n为未知力,则会出现“力法正则方程式”。

2.2 以位移法求解

以位移法求船舶的结构强度,是比较全面的,主要是利用节点转角的设定,延后利用节点的一个断面弯矩的一个平衡条件,一次来进行求解工作。它的基本原理可以理解成从结构的节点找到可转动的节点数,然后对转角的节点数进行约束的作用;然后再对这些节点数进行迫动,使之转角,然后根据具体的方程式列出杆端弯矩,最后再建立各个节点的方程式,从而得出正确的答案。

2.3 总纵强度的计算

一般来说,对于船舶的总强度计算是有标准的,第一就是在试验中,将船舶放置在已经准备的模拟环境的波浪中,暂定船舶是在波浪中行进,且行进的方向与水流的方向一致,如此,传播和水流就处于相对静止;第二同样是船舶放置在已经模拟好的环境中,标准的波形以二维坦谷波,这样,船长即波长,只需要按照相关的计算即可以进行。第三是在取极限值进行计算,即波峰与波谷两种极限状态进行计算。

如此一来波浪弯矩和波浪切力都可以得到计算。

船体横剖面中拱波浪弯矩Mw(+)和中垂波浪弯矩Mw(-)的公式计算:

在这个方程式中,M即是弯矩的分布系数,L就是船的长度,B就是船的宽度,Cb是方形的一个系数,但是它的取值一定要在0.60之内,C就是系数。

那么整体的计算就是:

船体各个剖面中拱波浪切力Fw(+)和中拱垂波切力Fw(-)之间的计算方式:

总的来说,总纵强度的计算是基于船体机构多个部件的受力计算,由于船体是多部件组成,因此,在计算中对船体结构在实际运行中的受力和传力进行合理化的分析,进而确定船体的结构强度。以横骨架式为例,如果假定传递只有水的力量,那么承受水的力量必然是船体下面的底板,然后底板在依次横固,再传入船体的各个结构。若已、以纵骨架式为例,仍然假定船体只收的水的力量,那么水的力量仍然是传递给外底板,外底板在依次传递给纵骨,然后是板架。所以,总纵强度的计算,通常要考虑各构件之间力的传递,在力的传递中船体发横变形或者是弯曲,这是产生的弯曲应力方能进行计算。

3 船舶疲劳强度

船舶的疲劳强度主要是指船舶在实际的运行当中,船舶的结构因为受到力的影响,导致在船体在周期内受到破坏。而且船体不管是有无装载运行,或者是大风大浪的影响,都会受到额外的伤害,这种伤害常年雷击,就会造成船舶疲劳强度的严重影响,进而影响船体的质量。事实上,船体的疲劳程度和船体的材料、承受力度、使用寿命等方面有着密切的联系。因此,在船舶疲劳强度的计算中,迄今为止还没有一个明确的算法,但是可以对船舶疲劳强度进行一定的估算,从而大致计算出船舶的疲劳强度,以延长船体的结构的寿命。