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摘要：伴随船舶行业的发展，船体结构更加复杂，梁理论方法的劣势日益凸显。80年代后期，计算机科学迅猛发展使得将船体的局部结构或者全船有限单元法的分析成为可能，船体结构安全性与可靠性分析从此有了革命性的突破，因此船舶结构强度有限元直接计算的应用日趋增多，并成为越来越重要的技术手段。本文就船舶结构计算有关问题进行分析探讨。
关键词：船舶；结构；计算问题
引言
船体强度是确保航行安全性的重要措施，能大幅减少因船体结构失效导致的海损，具有很大的现实意义。通常船体强度校核是与船舶设计同步进行。随着船舶使用年限的增加，船体由于腐蚀、磨损及疲劳破坏等作用，其强度也随之下降，旧船体必要的时候也应该进行强度校核，确保老旧船的航行安全。
一、反分析方法在船体结构强度分析中的研究
船体结构强度分析总是建立在一定的条件之上，例如船体的受力程度、材料强度等，实际上在真正的设计工作中往往存在着模型误差，为了使结构强度的设计结果和真实的受力承载水平之间有一个充分的容纳能力，通常要给定一个安全系数。船体在使用中，为了评估其在真实受力水平、材料参数等实际工作条件下的真实强度，常常采用反分析法进行计算。以船体板梁结构为例，船体的设计受力水平可能和实际受力水平之间有差距，利用反分析法分析船体结构就是在实际的受力荷载响应前提下，探究船体材料的实际参数，求得船体材料对应于实际承载能力的材料强度。
在（1）中V代表一个多边形区域，L为线性微分算子；在（2）以及（3）中 、 都代表区域边界。
那么，船体结构强度分析的有限元方程可以表示为：
式中，V（P）代表船体结构的总刚度矩阵，U代表节点分析的点位矢量，F代表节点处的力矢量。
如果将船体材料对应实际承载力的强度矩阵定义 ，并且这个向量也是待求解参数，将船体结构在实际受力荷载下的位移向量表示为 。反分析法的核心就是在实际的受力载荷和实际受力荷载对应的位移向量的条件下，求解强度矩阵P 及其包含的船体材料实际状态参数。
二、船体结构强度有限元分析法的研究
2.1有限元分析法的基本理论
有限元分析法是通过将整个船体结构或局部结构离散成单个、简单、独立的点模型来分析结构强度的一种方法，由于这些独立点的数量是有限的，因此称之为有限元。我们将使用整体物理模型推导出来的方程在每个满足对应条件的点上具体应用，就可以产生一个利用线性方程组来求解的计算模型。在实际计算处理中，有限元法的主要处理步骤分为预处理和建模分析两个过程。利用有限元分析法对船体结构进行建模计算的技术流程为：在同时满足船体材料几何变形和非线性变形情况下，可以得到船体承受力荷载条件下的变形乃至破裂的整个过程，我们依据这个结果就可以得到船体安全强度的边界条件，再反过来求解船体的安全尺寸和结构设计。同时，必须考虑数值建模的时间代价以及合理的建模方法。在得到离散点待求解变量以后，就可以利用插值计算法将整体场函数进行拟合和插值。当然，离散点数量的增加必然导致模型計算量和求解时间的增加，但是同时也使模型的计算精度提高，离散解不断逼近精确解。
2.2分析模型的建立要点
采用有限元法的数据条件为：待求变量的控制数据、船体材料的已知参数、受力荷载条件、有限元网格点的坐标数据、拓扑结构描述和边界条件等。同时利用有限元法进行建模必须遵守一定的建模规则：第一，模型的平衡条件。在船体结构的整体和单个节点的受力分析中都必须静态下受力平衡。第二，模型必须有一定的边界条件。边界条件是对船体材料进行本构分析的基本要求，包括整体结构的边界条件以及离散点单元的边界条件。第三，计算网格的划分要针对结构的整体特点、应力的具体分布情况、单元点的受力性质以及相应的精度要求来进行。
三、船体结构强度分析直接计算方法的研究
3.1船体结构与有限元模型
利用直接计算法对船体结构强度进行分析也需要基于有限元法的部分结果。我们知道，有限元分析法分为局部分析模型以及全船分析模型，采用全船分析模型的建模计算量比较大，但是在受力荷载、波浪条件以及边界条件下的数值模拟更加精确，计算结果和实际使用的真实水平很接近；利用局部分析模型建模的计算量比较小，但是存在一定的缺陷，尤其是在边界条件下的模拟结果在整体上不精确。随着船舶结构设计越来越复杂、船舶尺度不断增大、各种新船型不断被研发出来，学界也不断探讨一种新的结构设计方法。
3.2模型建立要点
模型建立首先要计算船体的工况。利用满载和压载两种载况、静水和中拱波浪以及中垂波浪三种弦外水条件以及船体的顶推状态等综合条件来计算船体的各种工况。同时在计算模型中要针对货物压力、船体重量、顶推力和弦外水压力等不同的特点采用不同的方法处理荷载计算问题。其次，计算模型要处理好外力平衡调整的关系。由于各种因素的影响，即使在各种不平衡外力以及惯性释放功能等条件下，利用有限元计算仍能得到船体应力以及单位点位移结果，但是由于所受的外力有所不同，结果会有差距。最后根据有关的强度标准规定处理板单元形心处的中面应力和轴心应力的最大许用值问题。
四、结束语
船体结构强度分析工作是一项涉及多个技术参数与影响因素的复杂过程，其主要的目的是解决船体在实际受力水平下的安全和稳定性问题，同时还要保证所花费的经济成本可以承受乃至最低的条件，采用传统的船体尺寸设计计算方法，不仅不能够实现理论计算和现实条件相符，同时还会导致船体整体设计工作和设计方法的繁杂、无序。
参考文献
[1]周陈炎. 基于HCSR的结构强度直接计算方法研究[D].大连海事大学，2018.
[2]张海泉.计算机在船舶结构和静水力计算中的应用[J].科技资讯，2017，15（32）：8-9.
（作者单位：大连中远海运重工有限公司）
关键词：船舶；结构；计算问题
引言
船体强度是确保航行安全性的重要措施，能大幅减少因船体结构失效导致的海损，具有很大的现实意义。通常船体强度校核是与船舶设计同步进行。随着船舶使用年限的增加，船体由于腐蚀、磨损及疲劳破坏等作用，其强度也随之下降，旧船体必要的时候也应该进行强度校核，确保老旧船的航行安全。
一、反分析方法在船体结构强度分析中的研究
船体结构强度分析总是建立在一定的条件之上，例如船体的受力程度、材料强度等，实际上在真正的设计工作中往往存在着模型误差，为了使结构强度的设计结果和真实的受力承载水平之间有一个充分的容纳能力，通常要给定一个安全系数。船体在使用中，为了评估其在真实受力水平、材料参数等实际工作条件下的真实强度，常常采用反分析法进行计算。以船体板梁结构为例，船体的设计受力水平可能和实际受力水平之间有差距，利用反分析法分析船体结构就是在实际的受力荷载响应前提下，探究船体材料的实际参数，求得船体材料对应于实际承载能力的材料强度。
在（1）中V代表一个多边形区域，L为线性微分算子；在（2）以及（3）中 、 都代表区域边界。
那么，船体结构强度分析的有限元方程可以表示为：
式中，V（P）代表船体结构的总刚度矩阵，U代表节点分析的点位矢量，F代表节点处的力矢量。
如果将船体材料对应实际承载力的强度矩阵定义 ，并且这个向量也是待求解参数，将船体结构在实际受力荷载下的位移向量表示为 。反分析法的核心就是在实际的受力载荷和实际受力荷载对应的位移向量的条件下，求解强度矩阵P 及其包含的船体材料实际状态参数。
二、船体结构强度有限元分析法的研究
2.1有限元分析法的基本理论
有限元分析法是通过将整个船体结构或局部结构离散成单个、简单、独立的点模型来分析结构强度的一种方法，由于这些独立点的数量是有限的，因此称之为有限元。我们将使用整体物理模型推导出来的方程在每个满足对应条件的点上具体应用，就可以产生一个利用线性方程组来求解的计算模型。在实际计算处理中，有限元法的主要处理步骤分为预处理和建模分析两个过程。利用有限元分析法对船体结构进行建模计算的技术流程为：在同时满足船体材料几何变形和非线性变形情况下，可以得到船体承受力荷载条件下的变形乃至破裂的整个过程，我们依据这个结果就可以得到船体安全强度的边界条件，再反过来求解船体的安全尺寸和结构设计。同时，必须考虑数值建模的时间代价以及合理的建模方法。在得到离散点待求解变量以后，就可以利用插值计算法将整体场函数进行拟合和插值。当然，离散点数量的增加必然导致模型計算量和求解时间的增加，但是同时也使模型的计算精度提高，离散解不断逼近精确解。
2.2分析模型的建立要点
采用有限元法的数据条件为：待求变量的控制数据、船体材料的已知参数、受力荷载条件、有限元网格点的坐标数据、拓扑结构描述和边界条件等。同时利用有限元法进行建模必须遵守一定的建模规则：第一，模型的平衡条件。在船体结构的整体和单个节点的受力分析中都必须静态下受力平衡。第二，模型必须有一定的边界条件。边界条件是对船体材料进行本构分析的基本要求，包括整体结构的边界条件以及离散点单元的边界条件。第三，计算网格的划分要针对结构的整体特点、应力的具体分布情况、单元点的受力性质以及相应的精度要求来进行。
三、船体结构强度分析直接计算方法的研究
3.1船体结构与有限元模型
利用直接计算法对船体结构强度进行分析也需要基于有限元法的部分结果。我们知道，有限元分析法分为局部分析模型以及全船分析模型，采用全船分析模型的建模计算量比较大，但是在受力荷载、波浪条件以及边界条件下的数值模拟更加精确，计算结果和实际使用的真实水平很接近；利用局部分析模型建模的计算量比较小，但是存在一定的缺陷，尤其是在边界条件下的模拟结果在整体上不精确。随着船舶结构设计越来越复杂、船舶尺度不断增大、各种新船型不断被研发出来，学界也不断探讨一种新的结构设计方法。
3.2模型建立要点
模型建立首先要计算船体的工况。利用满载和压载两种载况、静水和中拱波浪以及中垂波浪三种弦外水条件以及船体的顶推状态等综合条件来计算船体的各种工况。同时在计算模型中要针对货物压力、船体重量、顶推力和弦外水压力等不同的特点采用不同的方法处理荷载计算问题。其次，计算模型要处理好外力平衡调整的关系。由于各种因素的影响，即使在各种不平衡外力以及惯性释放功能等条件下，利用有限元计算仍能得到船体应力以及单位点位移结果，但是由于所受的外力有所不同，结果会有差距。最后根据有关的强度标准规定处理板单元形心处的中面应力和轴心应力的最大许用值问题。
四、结束语
船体结构强度分析工作是一项涉及多个技术参数与影响因素的复杂过程，其主要的目的是解决船体在实际受力水平下的安全和稳定性问题，同时还要保证所花费的经济成本可以承受乃至最低的条件，采用传统的船体尺寸设计计算方法，不仅不能够实现理论计算和现实条件相符，同时还会导致船体整体设计工作和设计方法的繁杂、无序。
参考文献
[1]周陈炎. 基于HCSR的结构强度直接计算方法研究[D].大连海事大学，2018.
[2]张海泉.计算机在船舶结构和静水力计算中的应用[J].科技资讯，2017，15（32）：8-9.
（作者单位：大连中远海运重工有限公司）