船舶結(jié)構(gòu)極限分析與設(shè)計方法

船舶結(jié)構(gòu)極限分析與設(shè)計方法

I目錄

■CONTEMTS

第一部分船舶結(jié)構(gòu)極限分析基礎(chǔ)理論..........................................2

第二部分極限狀態(tài)與極限強度定義............................................4

第三部分材料極限分析與結(jié)構(gòu)極限分析........................................7

第四部分靜態(tài)極限分析方法...................................................9

第五部分準(zhǔn)靜態(tài)極限分析方法................................................13

第六部分動力極限分析方法..................................................15

第七部分極限設(shè)計原則與方法................................................17

第八部分船舶結(jié)構(gòu)極限設(shè)計實踐應(yīng)用.........................................21

第一部分船舶結(jié)構(gòu)極限分析基礎(chǔ)理論

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

船舶結(jié)構(gòu)極限分析

1.船舶結(jié)構(gòu)極限分析是評估船舶結(jié)構(gòu)在極端載荷作用下承

載能力的方法。

2.它結(jié)合了數(shù)值模擬、實驗和理論方法，以預(yù)測船舶結(jié)構(gòu)

的破壞模式和極限承載能力。

3.極限分析在旃舶設(shè)計和改裝過程中至關(guān)重要，確保船舶

在極端條件下的人員和貨物安全。

船舶結(jié)構(gòu)失效模式

1.船舶結(jié)構(gòu)的失效模式包括屈曲、剪切、拉伸、扭轉(zhuǎn)和疲

勞。

2.極限分析考慮了這些失效模式的相互作用和組合效應(yīng)。

3.確定潛在的失效模式是設(shè)計和預(yù)防結(jié)構(gòu)故障的關(guān)鍵步

驟。

載荷類型和效應(yīng)

1.船舶結(jié)構(gòu)承受多種載荷，包括波浪載荷、風(fēng)載荷、冰載

荷和碰撞載荷。

2.這些載荷會引起應(yīng)力、變形和振動，影響船舶結(jié)構(gòu)的完

整性。

3.極限分析考慮了載荷的時間而史和船舶的動態(tài)響應(yīng)。

數(shù)值模擬方法

1.有限元法(FEM)是船舶結(jié)構(gòu)極限分析中常用的數(shù)值模

擬方法。

2.FEM允許對復(fù)雜幾何形狀和材料行為進行求解。

3.數(shù)值模擬可預(yù)測船舶結(jié)構(gòu)在不同載荷條件下的應(yīng)力和變

形。

實驗驗證

1.實驗驗證對于驗證數(shù)值模擬結(jié)果和評估船舶結(jié)構(gòu)的實際

性能至關(guān)重要。

2.實驗包括材料測試、結(jié)構(gòu)部件測試和全船試驗。

3.實驗數(shù)據(jù)可用于校準(zhǔn)數(shù)值模型并提高預(yù)測精度。

趨勢和前沿

i.機器學(xué)習(xí)和人工智能正在用于優(yōu)化極限分析過程。

2.高性能計算使更大規(guī)模和更復(fù)雜的仿真成為可能。

3.先進材料和制造技術(shù)的應(yīng)用為開發(fā)更高效的船舶結(jié)構(gòu)提

供了機會。

船舶結(jié)構(gòu)極限分析基礎(chǔ)理論

極限分析是一種非線性分析方法，用于評估船舶結(jié)構(gòu)在超過彈性極限

后的承載能力。它基于以下基本原理：

1.材料本構(gòu)關(guān)系：

材料本構(gòu)關(guān)系描述了材料應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系。在極限分析中，通

常采用雙線性理想化模型，其中：

*彈性階段：應(yīng)力與應(yīng)變成正比，斜率為彈性模量。

*塑性階段：應(yīng)力達到屈服強度后，保持恒定值，而應(yīng)變繼續(xù)增加。

2.平衡方程：

平衡方程包括動力學(xué)平衡方程和幾何兼容性方程。在極限分析中，動

力學(xué)平衡方程被簡化為靜力平衡方程，即外力筆于內(nèi)力。幾何兼容性

方程確保結(jié)構(gòu)的變形與應(yīng)變場之間的一致性。

3.屈服準(zhǔn)則：

屈服準(zhǔn)則定義了材料屈服的條件。在極限分析中，常用的屈服準(zhǔn)則包

括：

*馮米塞斯屈服準(zhǔn)則：適用于各向同性材料，基于應(yīng)力分量的有效值。

*Tresca屈服準(zhǔn)則：也適用于各向同性材料，基于最大剪應(yīng)力。

4.上界定理和下界定理：

極限分析的基本定理包括：

*上界定理：如果外力和約束條件與結(jié)構(gòu)變形相容，且滿足材料的本

構(gòu)關(guān)系和屈服準(zhǔn)則，則結(jié)構(gòu)可以承載該外力。

*下界定理：如果結(jié)構(gòu)在任何給定的變形模式下不違反材料的本構(gòu)關(guān)

系和屈服準(zhǔn)則，則結(jié)構(gòu)無法承載超過該變形模式所對應(yīng)的外力。

5.極限平衡方法：

極限平衡方法是極限分析中最常用的方法。它涉及到尋找一個滿足上

界定理或下界定理的力平衡方程，從而確定結(jié)構(gòu)的承載能力。

6.極限載荷：

極限載荷是船舶結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下能夠承受的最大外力。極限分析可

以用來確定極限載荷，從而為船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供依據(jù)。

7.極限狀態(tài)：

極限狀態(tài)是指船舶結(jié)構(gòu)超出彈性極限，出現(xiàn)永久變形或失效的情況。

極限分析可以用來評估結(jié)構(gòu)是否接近極限狀態(tài)，從而指導(dǎo)船舶的運營

和維護。

極限分析在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用：

極限分析廣泛應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括：

*結(jié)構(gòu)強度評估：評估結(jié)構(gòu)在極限載荷下的承載能力。

*減薄優(yōu)化：根據(jù)極限分析結(jié)果，優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)的厚度。

*碰撞和擱淺分析：模擬船舶在碰撞或擱淺事故中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

*疲勞強度評估：考慮極限載荷對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。

*規(guī)則制定：為船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造提供基于極限分析的規(guī)范和準(zhǔn)則。

第二部分極限狀態(tài)與極限強度定義

極限狀態(tài)與極限強度定義

極限狀態(tài)

極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件無法抵抗施加的載荷，或其性能無法滿足預(yù)

期要求的狀態(tài)。極限狀態(tài)可分為兩類：

*強度極限狀態(tài)（ULS?：當(dāng)載荷超過結(jié)構(gòu)抵抗能力時，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或構(gòu)

件發(fā)生破壞或過大變形的狀態(tài)。

*服役極限狀態(tài)（SLS?：當(dāng)載荷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的性能不滿足預(yù)期要

求，但未達到破壞或過大變形的狀態(tài)。

極限強度

極限強度是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在達到強度極限狀態(tài)時的承載能力。極限強

度可根據(jù)不同的載荷類型和作用模式進行定義：

*屈服極限強度：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在屈服應(yīng)力下的承載能力。

*極限承載能力：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大載荷時的承載能力。

*疲勞極限強度：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在循環(huán)載荷下失效前的最大應(yīng)力幅。

強度極限狀態(tài)設(shè)計方法

強度極限狀態(tài)設(shè)計方法旨在確保結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在預(yù)期載荷下不發(fā)生破

壞或過大變形。該方法涉及以下步驟：

1.確定載荷效應(yīng)

*計算作用在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上的各種載荷，包括靜載荷、動載荷和環(huán)境

載荷。

*考慮載荷組合和不利條件。

2.建立極限強度模型

*開發(fā)一個數(shù)學(xué)或物理模型，描述結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的力學(xué)行為。

*確定構(gòu)件的材料特性、幾何尺寸和邊界條件。

3.計算設(shè)計強度

*確定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在預(yù)期載荷下所需要的強度。

*考慮材料安全系數(shù)和可能的載荷不確定性。

4.驗證極限強度

*比較計算出的設(shè)計強度與極限強度。

*如果設(shè)計強度低于極限強度，則結(jié)構(gòu)或構(gòu)件不滿足強度極限狀態(tài)。

服役極限狀態(tài)設(shè)計方法

服役極限狀態(tài)設(shè)計方法旨在確保結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在預(yù)期載荷下滿足功能

要求。該方法涉及以下步驟：

1.確定服役極限狀態(tài)準(zhǔn)則

*確定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在服役期間需要滿足的性能要求。

*例如，最大撓度、最大振動或最大裂紋寬度。

2.建立服役極限狀態(tài)模型

*開發(fā)一個數(shù)學(xué)或物理模型，描述結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在服役載荷下的行為。

*確定材料特性、幾何尺寸和邊界條件。

3.計算設(shè)計載荷

*確定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在服役極限狀態(tài)準(zhǔn)則下允許的最大載荷。

*考慮材料安全系數(shù)和可能的載荷不確定性。

4.驗證服役極限狀態(tài)

*比較計算出的設(shè)計載荷與預(yù)期載荷。

*如果設(shè)計載荷高于預(yù)期載荷，則結(jié)構(gòu)或構(gòu)件滿足服役極限狀態(tài)要求。

第三部分材料極限分析與結(jié)構(gòu)極限分析

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

材料極限分析

1.材料力學(xué)原理的運用：基于材料力學(xué)的塑性和脆性破壞

理論，分析材料在極限狀態(tài)下的行為。

2.極限載有和變形能力的評估：確定材料在極限狀態(tài)下的

極限載荷承載能力和變形能力，為結(jié)構(gòu)極限分析提供基礎(chǔ)。

3.非線性材料行為的考慮：考慮材料非線性行為，如屈服、

塑性變形和斷裂，以準(zhǔn)確反映材料在極限狀態(tài)下的真實行

為。

結(jié)構(gòu)極限分析

材料極限分析

材料極限分析是一種基于材料屈服或破壞極限的結(jié)構(gòu)分析方法。它假

設(shè)材料是理想的彈塑性體，在屈服應(yīng)力以下表現(xiàn)為彈性，在屈服應(yīng)力

以上表現(xiàn)為塑性。材料極限分析的主要優(yōu)點在于，它可以簡化結(jié)構(gòu)分

析，并提供一個安全的下界解，確保結(jié)構(gòu)在屈服或破壞之前不會發(fā)生

失效。

材料極限分析的基本原理

*屈服準(zhǔn)則：用于確定材料何時屈服的數(shù)學(xué)方程。例如，馮-米塞斯

屈服準(zhǔn)則和屈服包絡(luò)線。

*極限載荷：引起材料屈服或破壞所需的最小載荷。

*塑性較理論：假設(shè)屈服材料的結(jié)構(gòu)行為主要由塑性較支配。塑性較

是截面發(fā)生塑性變形的位置，導(dǎo)致截面強度的降低。

*能量平衡：用于確定極限載荷的方程，它平衡內(nèi)部能量（塑性耗散

的能量）和外部能量（施加的載荷功）。

材料極限分析的步驟

1.確定屈服準(zhǔn)則：選擇最適合所用材料的屈服準(zhǔn)則。

2.計算塑性模量：確定屈服應(yīng)力與彈性模量的比率，稱為塑性模量。

3.確定極限載荷：通過求解能量平衡方程來確定極限載荷。

4.設(shè)計結(jié)構(gòu)：確保結(jié)構(gòu)的實際載荷低于極限載荷，以防止屈服或破

壞。

結(jié)構(gòu)極限分析

結(jié)構(gòu)極限分析是一種基于結(jié)構(gòu)整體坍塌極限的分析方法。它假設(shè)材料

是理想彈塑性體，并采用能量守恒原理來確定結(jié)構(gòu)的極限載荷。與材

料極限分析不同，結(jié)構(gòu)極限分析考慮了結(jié)構(gòu)的幾何形狀和邊界條件。

結(jié)構(gòu)極限分析的基本原理

*失效模式：結(jié)構(gòu)在屈服或破壞之前發(fā)生的失效方式。失效模式可以

是塑性坍塌、彈性屈曲或失穩(wěn)。

*極限載荷：引起結(jié)構(gòu)失效所需的最小載荷。

*虛擬功原理：用于確定極限載荷的原理，它將施加的虛擬位移乘以

結(jié)構(gòu)的內(nèi)部力來平衡外部能量。

*耗散能量：在結(jié)構(gòu)失效過程中耗散的能量，包括塑性變形的能量和

動能。

結(jié)構(gòu)極限分析的步驟

1.確定失效模式：根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀和邊界條件，識別可能的失

效模式。

2.建立虛擬位移場：構(gòu)造一個滿足失效模式的虛擬位移場，該位移

場在結(jié)構(gòu)的屈服或破壞位置產(chǎn)生位移。

3.計算內(nèi)部力：根據(jù)虛擬位移場計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)部力。

4.確定極限載荷：通過求解虛擬功方程來確定極限載荷。

5.設(shè)計結(jié)構(gòu)：確保結(jié)構(gòu)的實際載荷低于極限載荷，以防止失效。

材料極限分析與結(jié)構(gòu)極限分析的比較

I特征I材料極限分析I結(jié)構(gòu)極限分析I

I考慮的極限I材料屈服或破壞I結(jié)構(gòu)失效I

I假設(shè)的材料行為I彈塑性I彈塑性I

I分析方法I能量平衡I虛擬功原理I

I考慮的因素I材料屈服I結(jié)構(gòu)幾何形狀和邊界條件I

I適用性I簡單結(jié)構(gòu)I復(fù)雜結(jié)構(gòu)I

I精度I下界解I準(zhǔn)確解I

I計算量I較低I較高I

應(yīng)用

材料極限分析和結(jié)構(gòu)極限分析廣泛應(yīng)用于船舶、航天器、汽車和建筑

等工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計中。這些方法提供了在滿足安全和成本要求的同時

優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能的有效工具。

第四部分靜態(tài)極限分析方法

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

等效靜載荷法

-將波浪載荷轉(zhuǎn)化為靜態(tài)荷載進行極限分析，考慮波浪載

荷的最大值或設(shè)計值。

-通過數(shù)值模擬或經(jīng)驗公式確定波浪載荷的等效靜態(tài)分

布，考慮波浪特性、黜舶幾何和結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

-使用非線性有限元分析求解結(jié)構(gòu)響應(yīng)，確定應(yīng)力、變形和

失效應(yīng)力狀態(tài)。

準(zhǔn)靜態(tài)法

-將波浪載荷以時變載荷的形式施加到結(jié)構(gòu)上，考慮波浪

動態(tài)效應(yīng)。

-使用顯式或隱式時域積分方法求解結(jié)構(gòu)響應(yīng)，捕捉結(jié)構(gòu)

在波浪作用下的動態(tài)行為。

-基于時域響應(yīng)，評估材料塑性、結(jié)構(gòu)損傷和失效應(yīng)力狀

態(tài)。

非線性時程法

-模擬實際波浪過程對船舶結(jié)構(gòu)的非線性時程響應(yīng)，考慮

波浪特性、船舶幾何和材料特性。

-使用非線性有限元分析求解結(jié)構(gòu)響應(yīng)，考慮材料非線性、

結(jié)構(gòu)損傷和邊界條件的影響。

-基于時程響應(yīng)，確定結(jié)構(gòu)的垠大載荷、應(yīng)力、變形和失效

應(yīng)力狀態(tài)。

概率極限分析

-考慮波浪載荷、材料強度和結(jié)構(gòu)幾何的隨機性，評估結(jié)構(gòu)

失效應(yīng)力的概率。

-使用蒙特卡洛模擬或其他概率方法進行多次極限分析，

得到結(jié)構(gòu)失效應(yīng)力的概率分布。

-基于概率分布，確定設(shè)計安全系數(shù)或目標(biāo)可靠度級別的

結(jié)構(gòu)極限載荷。

強度Reserve法

-將極限載荷除以實際載荷，得到強度Reserve系數(shù)。

-針對不同載荷情況下，確定最小強度Reserve系數(shù)，代表

結(jié)構(gòu)的極限承載能力。

-通過比較強度Reserve系數(shù)與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，評估結(jié)構(gòu)的

極限強度是否滿足設(shè)計要求。

高級極限分析方法

結(jié)合先進的數(shù)值斑模、材料本構(gòu)模型和計算方法，提高極

限分析的精度和可信度。

-考慮流固耦合效應(yīng)、局部船體斷裂和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等復(fù)雜因

素。

?利用機器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，實現(xiàn)極限分析過程的自

動化和智能化。

靜態(tài)極限分析方法

概述

靜態(tài)極限分析方法是一種船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，用于確定結(jié)構(gòu)在給定載

荷條件下的極限承載能力。該方法基于彈性力的基本原理，假設(shè)結(jié)構(gòu)

在失效前表現(xiàn)為線彈性行為。

基本原則

靜態(tài)極限分析方法采用極限載荷倍數(shù)的概念。極限載荷倍數(shù)（LMF）

是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)達到極限承載能力的載荷與正常工作載荷之比。極限承載

能力是指結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可接受的塑性變形或失效的臨界載荷。

計算步驟

靜態(tài)極限分析方法通常涉及以下步驟：

1.確定設(shè)計載荷：確定結(jié)構(gòu)可能遇到的所有設(shè)計載荷，包括靜止和

動態(tài)載荷。

2.建立有限元模型：創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的有限元模型，以模擬其幾何形狀、

材料特性和載荷條件。

3.施加載荷：將設(shè)計載荷應(yīng)用于有限元模型。

4.求解模型：使用有限元求解器求解有限元模型，獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、

應(yīng)變和變形。

5.確定極限載荷倍數(shù)：通過逐步增加應(yīng)用載荷并求解模型，確定結(jié)

構(gòu)的極限載荷倍數(shù)。

6.評估結(jié)構(gòu)強度：將極限載荷倍數(shù)與材料的屈服強度或極限強度進

行比較，以評估結(jié)構(gòu)的強度。

優(yōu)勢和局限性

優(yōu)勢：

*相對簡單且易于應(yīng)用。

*能夠提供有關(guān)結(jié)構(gòu)極限承載能力的保守估計。

*適用于線彈性結(jié)構(gòu)。

局限性：

*不考慮材料非線性。

*無法預(yù)測失效模式。

*對于非線彈性行為的結(jié)構(gòu)可能不準(zhǔn)確。

應(yīng)用

靜態(tài)極限分析方法廣泛應(yīng)用于各種船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計，包括：

*船體結(jié)構(gòu)

*甲板結(jié)構(gòu)

*超級結(jié)構(gòu)

*管道和管道系統(tǒng)

示例

考慮一個橫截面積為100cm2的鋼板，屈服強度為250MPa。使用

靜態(tài)極限分析方法來確定在簡支邊界條件下板的極限承載能力。

1.設(shè)計載荷：簡支梁的中心彎矩為：M=P*L/4,其中P為載

簡，L為梁長。

2.極限載荷倍數(shù)：極限載荷倍數(shù)（LMF）為屈服彎矩與工作彎矩之

比,即:LMF=My/Mw

3.求解LMF：已知My=。y*I/y,其中oy為屈服強度，I

為截面慣性矩，y為截面到中性軸的距離，Mw=P*L/4。代入給

定值得到：LMF=4*oy*I/(P*L*y)

4.計算極限承載能力：代入數(shù)值得到：LMF=4*250MPa*100

c/4/(P*L*10cm)=1000P/L

因此，極限承載能力為：P=250kNo

第五部分準(zhǔn)靜態(tài)極限分析方法

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

【主題名稱】準(zhǔn)好態(tài)極限分

析方法1.方法原理：

-將施加的載荷逐漸增大，直至達到結(jié)構(gòu)承載能力極

限。

-假設(shè)材料在卸載后不發(fā)生恢復(fù)，忽略材料的動態(tài)效

應(yīng)。

2.適用條件：

-結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的載荷變化緩慢且接近靜態(tài)條件。

-材料具有良好的延展性，不會產(chǎn)生脆性破壞。

3.分析方法：

-分析過程一般分為非線性彈性分析和塑性分析兩個

階段。

-在非線性彈性階段，材料遵循應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，結(jié)構(gòu)

剛度逐漸下降。

-在塑性分析階段，材料進入整性階段，結(jié)構(gòu)剛度進一

步降低，直至達到承載能力極限。

【主題名稱】有限元法

準(zhǔn)靜態(tài)極限分析方法

準(zhǔn)靜態(tài)極限分析方法是一種確定船舶結(jié)構(gòu)極限承載能力的實用方法,

它基于以下假設(shè)：

*荷載施加緩慢，不產(chǎn)生顯著的慣性效應(yīng)。

*材料行為為理想的彈塑性。

*船舶結(jié)構(gòu)呈小變形狀態(tài)。

準(zhǔn)靜態(tài)極限分析方法的基本步驟包括：

1.模型建立

*創(chuàng)建船舶結(jié)構(gòu)的有限元模型，包括船體、甲板、隔艙和圍護結(jié)構(gòu)。

*定義材料屬性，包括屈服強度、彈性模量和泊松比。

*施加邊界條件，如支座和對稱面。

2.荷載施加

*定義設(shè)計荷載，包括波浪、風(fēng)、貨物和壓載。

*逐一施加荷載，直至結(jié)構(gòu)達到極限狀態(tài)。

3.材料行為建模

*使用塑性本構(gòu)模型，如vonMises本構(gòu)模型或Drucker-Prager

本構(gòu)模型，來描述材料的屈服和塑性行為。

*考慮材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)，即材料在屈服后強度會增加。

4.非線性求解

*使用非線性求解器，如Newton-Raphson方法，求解結(jié)構(gòu)方程組。

*迭代求解，直至殘余力達到容許值。

5.結(jié)果分析

*分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和形變。

*確定結(jié)構(gòu)的屈服點和極限承載能力。

準(zhǔn)靜態(tài)極限分析的應(yīng)用

準(zhǔn)靜態(tài)極限分析方法廣泛應(yīng)用于以下方面：

*船舶結(jié)構(gòu)強度評估

*船舶碰撞分析

*船舶擱淺分析

*船舶損傷耐受性分析

優(yōu)缺點

優(yōu)點：

*易于實施和理解。

*可考慮材料的非線性行為。

*計算效率高。

缺點：

*忽略了慣性效應(yīng)，可能導(dǎo)致不保守的預(yù)測。

*適用于小變形狀態(tài)，不適用于大變形或局部失效。

*需要對材料行為和邊界條件進行準(zhǔn)確建模。

結(jié)論

準(zhǔn)靜態(tài)極限分析方法是一種有用的方法，可用于確定船舶結(jié)構(gòu)的極限

承載能力。盡管它有一些局限性，但對于評估船舶結(jié)構(gòu)的整體強度和

識別潛在的失效模式而言，它仍然是一種有價值的工具。

第六部分動力極限分析方法

動力極限分析方法

動力極限分析方法是一種非線性時域分析技術(shù)，用于評估船舶結(jié)構(gòu)在

波浪荷載下極限承載力。該方法通過數(shù)值求解船舶運動方程和結(jié)構(gòu)響

應(yīng)方程，以確定船舶結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)和極限載荷。

基本原理

動力極限分析基于以下基本原理：

*船舶運動是受波浪荷載、自重、浮力和慣性力等外力的影響。

*船舶結(jié)構(gòu)響應(yīng)是船舶運動的函數(shù)，包括應(yīng)力、應(yīng)變和變形。

*船舶結(jié)構(gòu)的極限承載力是由材料強度、結(jié)構(gòu)幾何形狀和邊界條件共

同決定的。

分析步驟

動力極限分析通常涉及以下步驟：

1.建立船舶有限元模型：建立船舶結(jié)構(gòu)的詳細(xì)有限元模型，包括所

有主要構(gòu)造部件（如船體、甲板、艙壁等）。

2.定義波浪荷載：根據(jù)設(shè)計海況，定義施加在船舶上的波浪荷載。

3.求解船舶運動方程：求解船舶六自由度運動方程，獲得船舶的運

動響應(yīng)（如航行、垂蕩、橫搖等）。

4.求解結(jié)構(gòu)響應(yīng)方程：根據(jù)船舶運動響應(yīng)，求解船舶結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，

包括應(yīng)力、應(yīng)變和變形。

5.評估極限承載力：通過比較計算出的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與材料強度準(zhǔn)則，

評估船舶結(jié)構(gòu)的極限承載力。

非線性效應(yīng)

動力極限分析考慮了船舶結(jié)構(gòu)的非線性效應(yīng)，包括：

*幾何非線性：由于大變形而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)幾何形狀變化。

*材料非線性：由于應(yīng)變而導(dǎo)致的材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的非線性。

*接觸非線性：由于碰撞或接觸而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)邊界條件的非線性。

優(yōu)勢

動力極限分析方法具有以下優(yōu)勢：

*能夠準(zhǔn)確評估船舶結(jié)構(gòu)在極端波浪荷載下的極限承載力。

*可以考慮結(jié)構(gòu)的非線性效應(yīng)，從而得到更真實的結(jié)果。

*對于復(fù)雜船舶結(jié)構(gòu)的極限設(shè)計提供了寶貴的見解。

應(yīng)用

動力極限分析方法廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

*新船設(shè)計

*船舶改裝和改造

*船舶損傷評估和修復(fù)

*船舶壽命評估

*海上結(jié)構(gòu)安全評估

局限性

動力極限分析方法也存在一些局限性：

*計算成本高，需要大量的計算資源。

*需要對船舶結(jié)構(gòu)進行精確建模，這可能非常耗時。

*對波浪荷載和材料強度的準(zhǔn)確性高度敏感。

第七部分極限設(shè)計原則與方法

關(guān)健詞關(guān)鍵要點

主題名稱：海上結(jié)構(gòu)失效分

析1.海上結(jié)構(gòu)失效分析的方法論和技術(shù)手段，包括失效模式

分析、失效樹分析、故障樹分析等。

2.海上結(jié)構(gòu)失效原因的識別和分類，包括設(shè)計缺陷、制造

缺陷、使用不當(dāng)、環(huán)境因素等。

3.海上結(jié)構(gòu)失效后果的評估和預(yù)測，包括結(jié)構(gòu)損壞、人員

傷亡、環(huán)境污染等。

主題名稱：概率風(fēng)險評估

極限設(shè)計原則與方法

引言

極限設(shè)計原則是一種工程設(shè)計方法，通過分析結(jié)構(gòu)的極限極限狀態(tài)來

確定構(gòu)件尺寸和設(shè)計載荷。這種方法著重于確保結(jié)構(gòu)能夠在極限荷載

作用下滿足安全性和適用性要求。

極限設(shè)計的基本原則

極限設(shè)計基于以下基本原則：

*極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的失效模式，例如屈服、失穩(wěn)或破壞。

*極限荷載：導(dǎo)致結(jié)構(gòu)達到極限狀態(tài)的預(yù)期荷載。

*設(shè)計強度：材料或構(gòu)件在達到極限狀態(tài)之前能夠承受的最大應(yīng)力或

力。

極限設(shè)計方法通過將極限荷載與設(shè)計強度進行比較來確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件

的尺寸。如果極限荷載小于或等于設(shè)計強度，則結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是安全的。

極限設(shè)計方法

極限設(shè)計方法有兩種主要類型：

1.極限載荷法

極限載荷法將結(jié)構(gòu)荷載乘以一個安全系數(shù)，得到極限荷載。然后將極

限荷載應(yīng)用于結(jié)構(gòu)，以確定構(gòu)件的應(yīng)力和變形。如果應(yīng)力和變形均小

于設(shè)計強度和允許變形極限，則結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是安全的。

2.極限強度法

極限強度法將結(jié)構(gòu)強度乘以一個安全系數(shù)，得到設(shè)計強度。然后將設(shè)

計強度與預(yù)期荷載進彳二比較。如果設(shè)計強度大于或等于預(yù)期荷載，則

結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是安全的。

安全系數(shù)

安全系數(shù)用于考慮荷載和強度的不確定性，以及結(jié)構(gòu)的可靠性要求。

安全系數(shù)的取值取決于以下因素：

*荷載的不確定性

*材料性質(zhì)的不確定性

*結(jié)構(gòu)分析方法的準(zhǔn)確性

*所需的可靠性水平

失效模式的三種類型

在極限設(shè)計中，失效模式被歸類為以下三種類型：

1.強度限制狀態(tài)

強度限制狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)由于材料屈服或斷裂而失效。這些狀態(tài)通常由

過大的應(yīng)力引起。

2.剛度限制狀態(tài)

剛度限制狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)由于過大的變形或振動而失效。這些狀態(tài)通常

由過大的荷載或不足的剛度引起。

3.疲勞限制狀態(tài)

疲勞限制狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)由于重復(fù)荷載的作用而失效。這些狀態(tài)通常由

循環(huán)應(yīng)力引起。

極限設(shè)計在船舶結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

極限設(shè)計方法廣泛應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計中。該方法使設(shè)計人員能夠

以經(jīng)濟有效的方式確保船舶結(jié)構(gòu)的安全性。極限設(shè)計方法已應(yīng)用于以

下船舶結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計：

*船體殼板

*甲板結(jié)構(gòu)

*縱向桁架

*橫向框架

*龍骨

極限設(shè)計方法的優(yōu)點

極限設(shè)計方法具有以下優(yōu)點：

*提供合理且經(jīng)濟的設(shè)計。

*考慮結(jié)構(gòu)的極限極限狀態(tài)。

*允許優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸。

*為結(jié)構(gòu)的安全性提供可靠的保證。

極限設(shè)計方法的局限性

極限設(shè)計方法也有一些局限性，包括：

*依賴于合理的荷載和強度估計。

*可能導(dǎo)致不保守的設(shè)計，如果荷載或強度的不確定性被低估。

*需要先進的分析技術(shù)來確定結(jié)構(gòu)的極限極限狀態(tài)。

總體而言，極限設(shè)計方法是一種強大的工程設(shè)計工具，可用于確保船

舶結(jié)構(gòu)的安全性。通過結(jié)合極限設(shè)計原則和方法，設(shè)計人員可以優(yōu)化

結(jié)構(gòu)尺寸，確保船舶結(jié)構(gòu)能夠在預(yù)期荷載作用下滿足要求。

第八部分船舶結(jié)構(gòu)極限設(shè)計實踐應(yīng)用

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

【船舶結(jié)構(gòu)極限設(shè)計規(guī)程和

規(guī)范】1.國際海事組織（IMO）發(fā)布《國際船級社協(xié)會（IACS）

通用規(guī)范》（UR）和《船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造規(guī)范》（CSR）,為

船舶結(jié)構(gòu)極限設(shè)計提供國際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

2.各大船級社制定自己的規(guī)則和規(guī)范，例如美國船級社

（ABS）、英國勞氏船級社（LR）和挪威船級社（DNV）,這些

規(guī)則和規(guī)范旨在確保船舶結(jié)構(gòu)的安全性。

3.這些規(guī)程和規(guī)范包括船體的基本設(shè)計要求、材料選擇、

規(guī)范、載荷計算和結(jié)構(gòu)分析方法。

【船舶結(jié)構(gòu)建模和分析方法】

船舶結(jié)構(gòu)極限設(shè)計實踐應(yīng)用

概述

極限設(shè)計是基于概率和統(tǒng)計原理的一種設(shè)計方法，將船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計為

在規(guī)定的極端載荷和環(huán)境條件下，不會發(fā)生破坎或達到極限狀態(tài)。這

種方法已在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐中得到廣泛應(yīng)用，以確保船舶的安全性

和可靠性。

極限狀態(tài)

極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)達到預(yù)設(shè)的極限承載能力或發(fā)生不可接受的變形,

無法繼續(xù)安全運行的狀態(tài)。極限設(shè)計中考慮的主要極限狀態(tài)包括：

*強度極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)在極端載荷下抵抗破損或失穩(wěn)的能力。

*可變形極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)在極端載荷下發(fā)生過度變形，影響船舶的航

行性能或安全性。

*疲勞極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)