船舶与海洋工程结构分析

船舶与海洋工程结构分析

上官立磊1,李冠霖2

博迈科海洋工程股份有限公司 天津 300450 天津博迈科海洋工程有限公司 天津 300450

摘要：船舶是历史悠久的交通工具，自有人类活动开始，便有原始的船——独木舟。随着人类文明的进步，逐渐发展为木板船、帆船，直到可以在海洋航行的大型风帆船。尽管经历几千年的发展，但用木材造船却没有改变。木船的建造，凭工匠的经验，经验代代相传，没有形成理论。到20世纪后期，钢材取代木材成为主要的造船材料，船舶的主尺度不断增大，波浪载荷因此大大增加。增大船体构件尺寸，可以提高抵抗波浪载荷的能力，但构件尺寸究竟增大多少才适度，却没有估算的方法。增大尺寸过渡，会增大船体结构的自重，降低船舶的有效装载能力。

关键词：船舶，海洋工程，结构设计，分析研究

基于航运业的迅猛发展，船舶数量随之不断增多，发生事故的概率大大增加，现阶段我国对于船舶与海洋工程结构极限强度的研究力度不够，其中极限强度作为制约船舶海洋工程进步的重要因素，需要相关工作人员对其进行深层次的探索。在船舶开发研制过程中，操作员应对其结构进行正确有效的评价，使用强度较高的建设材料，从而保证海洋工程的安全性。

1船体结构设计理念

分析船体结构设计的概念可以从船体结构设计的内容入手。就船体建造总工作量而言，与船体结构有关的内容可占总工作量的一半以上。具体来说，船体结构设计不是一项独立的工作，往往需要多学科的参与。因此，船体结构设计通常需要反复地展开研究和论证，并在各学科之间建立有效的沟通渠道。在设计和施工之前，必须做好充分的准备，明确船体结构设计的要求，然后根据实际施工情况制定科学合理的设计方案，明确施工的要点，保证船体施工图纸的详细性和准确性。其次，要做好各有关岗位和人员的协调工作，从设计和施工的细节上加强对设计环节的控制。船体结构设计与施工可分为图纸设计、辅助设计、准备阶段、管理与施工四个阶段。

在船体结构设计的过程中，船舶性能是一个重要的设计指标。在提高船舶整体性能的同时，还要保证船舶的安全，并在此基础上对船舶进行美化。在这个过程中，安全性是其性能的基础。在设计过程中，要把保证船体的稳定性作为设计的重点，相关的结构设计要符合力学原理。从实际航行条件出发，综合考虑航行过程中天气、水文等因素的影响，确保所设计的船舶能够适应航行过程中的极端天气条件，保证整体结构的稳定性。

2船舶结构设计的方式分析

2.1船体结构设计条件

在船体结构设计过程中，应在保证船体结构安全的前提下，仔细考虑其实际性能，使船体更加美观。在船体设计概念中，稳性是重要的基础，船体结构设计应符合相应的力学条件。应用实际航行规律，充分考虑水位和气象因素的影响，使船体结构的承载性能得到充分保证。在针对船体外形设计过程中，必须满足航行动力学的相关要求。

为了保证设计工作的科学性和合理性，必须做好相关经验的积累和总结，运用科学的方法进行构思和计算。对船体结构稳定性能的要求，意味着施工技术水平必须与设计条件相适应。在施工过程中，应仔细考虑设计参考资料的具体作用。在船体设计的过程中，一定要综合考虑很多不同的因素。从安全的角度来看，船体设计的基本要求是实用性。从后期使用结算成本的角度出发，设计者应根据实际预算情况，对相关使用技术进行改进，确保安全与效益的最佳结合。设计人员还需要认真贯彻落实经济设计原则，尽量减少材料浪费的发生，在选择使用材料时优先考虑和最大限度地利用环保、安全、科学的材料。

2.2船体结构型式

船体结构的基本模式又称格栅结构，是板型结合的结构形式。根据结构的位置和自身的功能，可以划分为不同的模块。在对船体梁的分析中，可以进一步说明上板和下板分别指甲板和底板，腹板指侧板。由于功能的不同，骨架的排列方式也不同。一般可分为水平骨架结构和垂直骨架结构。当船舶的规模较大时，应根据实际承载情况调整相应的结构模型。在设计船体甲板和船底时，应注意使用纵向承载骨架，通过相应的支撑力来提高船体的安全性能。在满足基本应力条件和要求的同时，还应考虑恶劣环境下承载力的最大值。

2.3船体结构设计的步骤

首先，准备设计作业。任务书根据相关技术标准和设计目标建立任务，创建基本设计图纸，并根据原计划和设计目标，确定所需原材料的类型和数量。应编制与上述计划一致的详细目录，以确保船舶的主要尺寸和结构设计能如期进行。然后，可以进行详细设计，并根据基本设计图纸制作具体图纸。详细地设计图纸应满足船舶的功能性、安全性、经济性和技术性要求。同时，根据有关规格、标准和船东、船级社的意见做出适当的调整。图则绘制后，须提交船级社及船东等方审阅。最后，进行生产设计。根据船厂的生产能力和工艺标准进行生产设计。设计过程中要求严格按照详细设计选材，改进设计中发现的不足之处。生产过程中应严格按照图纸进行施工，以满足船舶设计的要求。

3船舶与海洋工程结构可靠性和完整性分析

由于船舶及海洋工程结构体系具有主客观因素不确定性的特点，结构体系的可靠性和完整性评估已成为分析的一个重要方面。

3.1对复杂结构系统的可靠性分析

由于船舶和海洋平台是由梁组成的复杂结构，其破坏方式和破坏模式多种多样，容易引起各种问题。此外，还需要解决建立这种复杂结构极限破坏的技术问题。一般情况下，当加载随机变量的变化远大于结构本身随机变量的变化时，可以通过确定性结构分析来探索系统的失效路径。人们也相信，通过人工智能的搜索概念，通过将其加入语音分析，可以大大提高计算效率。

3.2有关大型复杂结构系统的随机性分析

在传统的船海工程结构分析中，一般都是基于平均点的运算来获得确定性的概念，因此不宜考虑各种随机变量引起的不确定性。有限元分析是近年来最重要的结构分析数值分析之一，其应用的范围十分广泛，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等。然而，有限元分析具有完全离散化的特点，这导致了大量的计算。因此，有人提出了一个随机边界元法，它大大减少了计算量，达到了半解析法的精度。

时域方法主要用于研究完全非线性理论、基于线性自由面的条件方法和线性分析方法。完全非线性理论是对三维物体与完全非线性物体和波的相互作用进行时间积分的方法。线性自由表面条件法的研究主要是对自由表面进行线性化，并对波浪的阻力、辐射和绕射进行计算。本研究具有重要的研究价值。基于线性分析方法的研究，主要是通过理论计算结果，考虑瞬时粘性阻尼力和动态浮力的影响，求解运动和水动压力的时间过程。该方法不能适用于刚体的大振幅运动。

3.3对受损结构和现有工程结构的安全评估

随着科学技术的不断发展，现有的工程结构可能会或多或少地与原有的结构设计发生一些冲突。近年来，国外学者提出了结构冗余的概念，以评价既有结构的安全性和最经济的维修策略。综合考虑所有安全环节和不确定因素，从设计到使用结构系统，以及经济考虑实现完整性评估。

4结束语

船舶与海洋工程结构设计过程实际上是一个科学研究、论证和优化的过程。在满足强度要求的前提下，优化结构设计，尽可能降低船体自重，提高承载能力。在选择船体部件的材料规格时，主要考虑的是经济性。在保证船体强度和使用要求的前提下，应尽可能降低船体结构的重量，以提高船舶的承载能力。不能盲目追求超载状态下的所谓“船强”，导致船体自重增加，造船成本增加，船速下降，经营收入减少，实际船体结构没有达到加固的目的。

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.

[2]程志虎,陈伯真,王怡之.海洋工程结构无损检测可靠性研究[J].中国海洋平台,1996(05):39-43+4.

[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.