极端海况下船舶工程结构强度评估与增强设计方法

引言

海洋占据了地球表面的绝大部分，它既是联通世界的通道，也蕴藏着丰富的资源。然而，海洋环境复杂多变，尤其在某些海域和季节，极易 巨浪等极端海况 船舶作为海洋运输与工程的核心装备，其结构必须能够承受这种罕见但破坏力极 查表明，结构强度的不足是导致船体断裂、倾覆的重要原因。例 波 可能远远超过船舶在常规设计中所考虑的标准载荷。因此，传统的、基于经验公式和保守假定的船舶设计规范虽能保证船舶在绝大多数工况下的安全，但在面对极端、非典型的载荷情况时，可能显得力不从心。

1、极端海况下船舶工程结构强度评估分析

1.1、基于规范的设计

船级社（如CCS, DNV, ABS, LR 等）的规范是船舶设计的基础。它们基于大量经验、理论和模型试验，规定了船体梁的最小剖面模数、构件尺寸等。这种方法安全、便捷，但其隐含的载荷模型对于某些新型船舶或极端工况可能不够精确，通常作为初步设计和校核的依据。

1.2、直接强度评估

载荷预报：采用三维势流理论（如基于面板法的WAMIT, HydroD 等软件）计算船体在波浪中的运动与载荷传递函数（RAO）。再结合选定的极端海况（如设计波或长期预报结果），确定作用在船体上的极端载荷；有限元建模：建立全船有限元模型，模型需精细到主要纵向和横向构件（如强框架、纵桁）。单元类型主要为壳单元，能够准确模拟结构的弯曲和剪切效应；载荷映射与工况组合：将计算得到的水动力压力、惯性力等精确地施加到有限元模型的相应节点上。需要综合考虑多种载荷工况（如不同的浪向角、相位等），以找到最危险的载荷组合；非线性有限元分析：这是评估极限强度的核心。分析不仅考虑材料的非线性（屈服、塑性变形），更考虑几何的非线性（大变形、屈曲失效）。通过分析，可以模拟结构从开始屈服到最终崩溃的全过程，得到结构的极限承载能力。

1.3、疲劳与断裂力学评估

极端海况下的载荷交变虽然次数少，但应力幅值大，可能造成低周疲劳损伤。同时，巨大的冲击载荷可能引发微裂纹的萌生或扩展。因此，需要对关键节点（如舱口角隅、结构突变处）进行疲劳寿命评估和断裂力学分析，以防止灾难性的脆性断裂。

1.4、可靠性分析

基于概率论的方法，=承认载荷和结构强度本身都存在不确定性（随机性），通过建立极限状态方程，计算在极端海况下结构失效的概率（Probability of Failure），并与目标可靠指标进行比较，这种方法能从概率角度更科学地量化安全水平，是未来结构安全评估的重要发展方向。

2、极端海况下船舶工程结构增强设计研究

2.1、材料选用

材料是结构设计的基石。针对极端载荷，材料的选用超越传统的“高强度”概念，更强调“高韧性”和“抗疲劳”性能。高强度低合金钢（HSLA）与超高强度钢（UHSS）：在关键受力部位（如船体外板、主甲板）使用更高强度的钢材，可以在不显著增加结构重量的前提下，提高结构的抗屈曲和抗极限强度能力；优良韧性的钢材：为防止在冲击载荷下发生脆性断裂，尤其是在低温环境下，选用高断裂韧性（高 CTOD 值）的钢材至关重要。这能确保结构在发生局部损伤时，能以塑性变形的方式吸收能量，而非突然断裂；复合材料与混合结构：在上层建筑、舱口盖等非主承载或次承载结构中，采用碳纤维增强复合材料（CFRP）等轻质高强材料，可有效降低顶部重量，改善船舶稳性，并减少受激振动[1]。

2.2、总体布局与结构形式的优化

船型优化：通过计算流体动力学（CFD）技术，对船首线型进行优化设计，如采用更外飘的X-Bow 或斧形船首，能有效减少甲板上浪和碎击的概率和强度；结构拓扑优化：基于有限元分析和优化算法，对主要构件的布置进行优化，使材料分布更合理地跟随载荷路径，避免应力浪费和集中，实现“物尽其用”的轻量化高强设计。

2.3、关键区域的局部增强设计

船首底部与舷侧区域：增加该区域的板厚， 加密纵骨和肋骨的间距 用具有更高抗屈曲性能的板格结构（如加筋板设计）。增设碰撞舱或 隅：这是疲劳裂纹的高发区，传统设计采用圆弧形角隅。增强设计 形或椭圆形的应力扩散孔、应用碳纤维复合材料贴片进行局部补 ）消除有害的焊接残余应力；主船体梁的连续性：确保甲板与舷侧、 的有效连接，保证剪力流的顺畅传递，特别是在长舱口集装箱船上，需对舷顶列板进行特殊加强，以抵抗巨大的扭转载荷[2]。

2.4、智能监测与维护

在船体关键部位布置应变传感器、加速度计， 实时监测实际航行中遇到的波浪弯矩、扭矩及振动响应，该系统不仅能预警极端事件，还能为船长提供 变航向 以规避最危险的海况。基于实测载荷数据，结合疲劳累积损伤理论， 剩余疲劳寿命，实现从“定期检修”到“视情维修”的转变，提高运营经济性和安全性。 收集的“大数据”，是验证和校准设计理论最宝贵的资料，这些数据可以反馈给设计与研究部门，用于 正数值模型，改进下一代船舶的设计，形成一个闭环的、持续改进的研发体系[3]。

结束语

极端海况下的船舶结构强度问题是关乎安全、经济和环境的重大课题。应对这一挑战，必须采用一种系统性的、多学科交叉的解决方案。未来的发展将更加依赖于高保真数值模拟、船-岸一体的实时数据流、人工智能和数字孪生等前沿技术，最终推动船舶工程设计从“符合规范”到“预见风险、智能应对”的范式转变，从而为在莫测海洋中航行的巨轮提供更为坚实的安全保障。

参考文献：

[1]杨敬东,何瑞峰,刘文彬. 海巡 163 轮锚链绞车下支撑船体结构加强和强度计算[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2019,38(08):111-116.

[2]田雨.船体结构低周疲劳损伤极限强度研究[D].大连理工大学,201

[3]赵耕贤. 船舶与海洋结构物设计中的关键技术之一(结构强度)[J].船舶,2000,(06):22-35.