摘 要

评估船舶结构强度的传统方法是许用应力法，但该方法并不能有效评估船体结构的极限承载能力，需要采取其他更为合适的研究方法。本文简要介绍了极限强度的研究方法和研究现状，并以一艘368箱集装箱船为研究对象，采用线弹性有限元法分析其总纵强度，推算此方法下的最大承载能力，然后运用非线性有限元法计算其极限强度，并将2种方法的计算结果进行对比。

关键词：总纵强度；极限强度；非线性有限元法

ABSTRACT

A ship’s structural strength is assessed traditionally by allowable stress method. However, its ultimate load capacity cannot be calculated effectively in this way, but by some other approaches which are more suitable. The methods and persent situation of research on ultimate strength have been introduced briefly. Particularly, a 368 TEU container ship’s longitudinal strength is studied in this paper. It is analysed by linear elastic finite element method and the maximum load capacity has been estimated using this way. Nonlinear finite element analysis is used to calculate the real ultimate strength of this ship. Two results have been compared in this paper.

Keywords: Longitudinal Strength ; Ultimate Strength ; Nonlinear Finite Element Analysis

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的和意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 研究内容和预期目标 3

第二章 船体概述和建模方案 4

2.1 船体概述 4

2.2 建模方案 4

第三章 舱段几何模型的建立 6

3.1 总述 6

3.2 起始横剖面的选取与建立 6

3.3 纵向模型的建立 9

3.3.1 一个肋距舱段的建立 9

3.3.2 整个舱段纵向模型的建立 10

3.4 横向模型的建立 10

3.4.1 强框架结构 11

3.4.2 横舱壁结构 11

3.5 几何模型分组 12

第四章 建立有限元模型 15

4.1 总述 15

4.2 单元属性 15

4.3 网格划分 15

4.4 次要构件 16

4.5 有限元模型的校核及修改 18

4.5.1 校核模型 18

4.5.2 模型的修改 19

第五章 加载 21

5.1 边界条件 21

5.2 载荷 22

第六章 船体结构静强度分析 24

6.1 静强度的校核 24

6.1.1 中拱状态的静强度校核 24

6.1.2 中垂状态的静强度校核 26

6.2 最大承载能力的估算 27

第七章 船体结构极限强度分析 29

7.1 极限强度的分析方法 29

7.2 极限承载能力的求解 29

第八章 结论 31

参考文献 31

致谢 32

绪论

1.1 研究背景

近几十年来，经济全球化带动了整个航运业的发展。在世界范围内，船舶数量、船舶吨位、船舶航行距离都大幅增加。但难以避免地，船舶事故也越来越多，造成的生命财产损失越来越严重。因此，保证船舶的安全是船舶设计工作中最基本、最重要的原则。而足够的船体结构强度对船舶安全而言至关重要。

传统的评估船体结构强度的方法是许用应力法。其基本理念是，只要船体承受的应力不超过建船材料的许用应力，就能保证船体结构的安全有效。但是，一些重大船舶事故的发生和结构设计领域的技术变革促成了业内对这一类问题的重新分析研究。比如，1980年在荷兰鹿特丹港，一艘VLCC（Energy Concentration号超大油轮）由于卸货顺序不当引起中拱破坏，事后对该船总纵强度的分析进一步证明了确定船体结构极限强度的重要性^[1]。

对类似重大船舶事故的研究总结，既填补了船舶结构强度领域在极限强度方面的研究空白，也使相关组织充分认识到校核极限强度在船舶设计中的重要性。早在上世纪50年代，前苏联学者就提出了极限状态的概念和相应的极限状态设计法。70年代开始，各种工程结构设计逐渐由确定性设计方法向不确定性的极限状态设计法过渡^[2]。当今，极限状态的概念和设计方法已在世界工程界得到公认。IMO（国际海事组织）和IACS（国际船级社协会）共同制定的CSR（共同结构规范）中就明确提出要采用极限状态评估船体结构安全，极限状态包括：最终极限状态、服务极限状态、事故极限状态、疲劳极限状态。采用极限状态评估结构强度符合现代结构设计原则，在船舶结构强度领域也必将扮演越来越重要的角色。

1.2 研究目的和意义

船舶强度的评估是船舶结构设计与强度分析阶段的一项基本内容，足够的船体结构强度对船舶安全、船舶性能而言至关重要。通常，将船体强度分为总强度和局部强度来研究。而总纵强度的校核是船舶强度评估中最重要的内容。

长期以来，船舶结构的安全性衡准采用确定性的许用应力法：先规定某一计算载荷，将结构剖面的计算应力与许用应力相比较，若计算应力不超过许用应力，则强度足够。之所以称之为确定性方法，是因为该法计算中的有关参数都取为单一确定值。一般认为，只要满足许用应力的要求，船体结构就不会失效。所以，本文中也会采用许用应力法对所研究船进行结构静强度的校核。

但是确定性的许用应力法并不能考虑船体强度中的诸多不确定因素，比如载荷的变动、材料性能的不确定性、建造质量的优劣、分析计算的误差等。可以说，结构的安全是有概率性的，不能保证设计结构绝对安全可靠。因此，为了降低船舶结构发生事故的可能性，有必要了解船体结构的极限状态。

结构的极限状态实质上就是结构有效和失效的界限。船舶结构的极限状态分为承载能力极限状态和可用性极限状态。本文主要对该368箱集装箱船的极限状态进行研究分析，计算其极限总纵弯矩，确定其强度储备系数，衡量其真正的最大承载能力。

研究集装箱船的极限强度，并对其进行分析具有相当的必要性。计算分析船舶结构极限强度是衡量船舶最大承载能力的最真实的评估方式。这对评估船体结构的真正安全余量，对充分合理利用材料、减轻船体重量、增加装载能力、提高船舶的经济性都具有重要的实用价值。

1.3 国内外研究现状