船舶与海洋工程结构分析

船舶与海洋工程结构分析

张伟

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摘要：近几年来，船舶与海洋工程正向高技术方向发展。船舶与海洋工程结构体系复杂多变，环境条件复杂多变，传统结构力学已无法适应与解决船舶与海洋工程结构发展中的一系列问题。因此，迫切需要以全新的视角来构建面向21世纪的平台，并迎接新世纪的挑战。

关键词：船舶，海洋工程，结构设计，分析研究

一、船体结构设计理念

对船舶结构设计概念的分析，可从船舶结构设计的内容入手。在整个船体建造过程中，船体结构方面的内容可能占到总工程的一半还多。船体结构设计是一个复杂而又复杂的过程，它往往是一个多学科交叉的过程。因此，在船舶结构设计中，往往要进行大量的研究与论证工作，建立起各个学科间的有效交流渠道。在进行设计和施工前，一定要做好充分的准备工作，对船体结构设计的要求有一个清晰的认识，再根据实际的施工情况来制定出一套科学、合理的设计方案，明确施工要点，确保船体施工图纸的详细、准确。其次，要做好各相关岗位、人员之间的协调，加强设计环节与施工过程中的细节控制；船舶结构的设计和施工过程可以划分为四个阶段，即图纸设计，辅助设计，前期准备阶段，管理和施工阶段。

船舶性能是船舶结构设计的重要指标之一。在提高船舶综合性能的前提下，还应确保船舶的安全性，并以此为基础对船舶进行美化。在这一过程中，安全是其性能的根本。在设计时，应以确保船体稳定为主要目标，并应根据力学原理进行相应的设计。本项目以船舶实际航行工况为出发点，综合考虑气象、水文等因素对船舶航行性能的影响，以保证船舶结构在恶劣气象条件下的稳定性。船型设计既能保证船体稳定，又能充分发挥船体动力。由于船舶结构设计具有很高的复杂性，在设计时一方面要充分考虑船舶实际航行的客观因素，另一方面也要借鉴已有的建造经验，以保证设计的科学性与高效性。

二、船舶结构设计的方法分析

（一）船体结构设计条件

在进行船舶结构设计时，要充分考虑船舶的实际性能，同时又要保证船舶的安全性，使船舶的外观更加美观。在船舶设计理念中，稳性是船舶设计的重要依据，船舶结构的设计必须满足相应的力学条件。根据实际航行规律，充分考虑水位、气象等因素，可充分保证船舶结构的承载能力。在设计船舶外形时，需要满足有关航行动力学的要求。

在设计过程中，要不断地积累与总结有关的经验，并采用科学的方法来设计、计算，以确保设计的科学性与合理性。船体结构的稳定性要求要求建造工艺水平符合设计要求。在建造时，应该认真考虑设计参考物的特定角色。在进行船体设计时，必须综合考虑多种因素。从安全性角度考虑，实用性是船舶设计的基本要求。站在后期使用结算费用的角度，设计人员应该在预算的基础上，对相应的施工工艺进行改进，以达到安全性和经济性的最佳结合。同时，设计人员也要将精益设计的原则贯彻下去，将材料的浪费降到最低，在选择使用材料的时候，优先考虑并尽量使用环保、安全、科学的材料。

（二）船体结构型式

船体基本型式又称为格构式，它是一种板型组合结构。按照其所处的位置及其本身所具有的功能，将其划分成不同的模块。在分析船体梁时，上板指甲板，下板指船底，腹板指侧板。骨架因其功能不同而有不同的排列方式。总体上可以分为横向框架结构和纵向框架结构两种。当船体尺寸较大时，应根据船体的实际承载情况，对相应的结构模型进行调整。在设计船体上、下甲板时，要注意采用纵向承重框架，并对其进行适当的支承，以提高其安全性。在满足基本应力条件及要求的前提下，要考虑到在恶劣环境下，最大承载能力。在设计船舶时，要考虑到实际的横向结构，保证平衡力，使船舶能够保持较好的承载力。采用横断面设计时，所占空间相对较小，有利于提高船舶载重能力。

（三）船体结构设计的步骤

首先，为设计任务做好准备。工作书依据有关技术标准及设计目标设定工作任务，绘制基本设计图，根据原始计划及设计目标设定所需要的原材料种类及数量。根据上述计划，应制订一份详细的目录表，以保证按计划完成主要尺寸及结构设计。在此基础上，完成了详细的设计，再从基本的设计图中生成了具体的设计图。详细设计图应符合船舶功能，安全，经济，技术等方面的要求。同时，根据相关规范和标准以及船东和船级社的建议，进行适当地调整。图则绘制完成后，应送交船级社和船东等有关部门审核。最后，给出了产品设计方案。按照造船厂的能力及工艺标准，编制造船厂的生产计划。在设计过程中，要求严格按照详细的设计方案来选择材料，并对设计中存在的不足进行改进。在制造过程中，必须严格按图纸施工，才能达到设计要求。

三、船舶与海洋工程结构的分析和安全评估

由于船舶与海洋工程系统存在着主观与客观不确定因素，其可靠度与完好性评价就成了研究的重要内容。

（一）对复杂结构系统的可靠性分析

船舶与海洋平台是由多个梁体组合而成的复杂结构，其失效模式多种多样，由此产生了各种各样的问题。在此基础上，建立此类复杂结构的极限破坏模型，也是亟待解决的技术难题。通常，当外部荷载的随机变量比结构自身的随机变量大得多时，可采用确定性结构分析方法来探求结构的破坏路径。我们还认为，在语音分析中加入人工智能的搜寻概念，可以极大地提高运算效率。

（二）有关大型复杂结构系统的随机性分析

传统的船舶-海工结构分析多基于平均点运算得到确定性概念，不能充分考虑各种随机性因素所带来的不确定性。有限元分析是近几年来结构分析中最为重要的一种数值分析方法，它的应用范围很广，包括一阶二阶矩有限元分析，响应面有限元分析，点估计有限元分析等。但有限元法是一种完全离散的方法，计算量很大。为此，有学者提出了随机边界元方法，该方法可极大地降低计算工作量，并可与半解析方法相媲美。

时域法主要应用于完全非线性分析、基于自由表面的条件法以及线性解析法等方面。全非线性理论是一种时间积分方法，它可以用来计算三维目标和波之间的相互作用。线形自由面条件方法主要研究自由面的线形化，以及波阻、辐射、衍射等问题。此项研究有较大的意义。本项目以线性解析法为基础，重点研究瞬时黏性阻尼与动浮力对运动与水动力的影响。这种方法并不适合做大幅度的刚体运动。

（三）对受损结构和现有工程结构的安全评估

随着科技的进步，已有的工程结构和原有的设计在某种程度上存在着一定的矛盾。近年来，为了评估在役结构的安全性并制定最经济的维护策略，国外学者提出了冗余度的概念。从设计到使用的结构体系，包括所有的安全联系和不确定性，以及经济性方面的考虑，以完成完整性评估。

结语

船舶及海洋工程结构设计的过程，实质上就是对船舶及海洋工程结构进行科学研究、论证和优化的过程。在满足强度要求的情况下，对船体进行优化设计，使其自重最小，承载力最大。经济因素是船体零部件选材的首要考虑因素。在满足船体强度及使用要求的情况下，应尽量减小船体自重，以提高其承载力。在过载条件下，盲目追求所谓的“船强”，会造成船体自重增大、建造成本增大、船速降低、营业收入减少、实际船体结构未达到加固目的等问题。

参考文献

[1]逄建涛,宋鲁峰,尹宝瑞,刘广辉,杜子荣.海洋石油工程张力腿平台的结构设计[J].山东化工,2020,49(20):138+140.

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[3]《海洋工程结构设计和评估环境条件应用指南（2021）》发布[J].船舶标准化工程师,2021,54(02):56.