船舶結構極限分析與設計方法

I目錄

■CONTEMTS

第一部分船舶結構極限分析基礎理論..........................................2

第二部分極限狀態與極限強度定義............................................4

第三部分材料極限分析與結構極限分析........................................7

第四部分靜態極限分析方法...................................................9

第五部分準靜態極限分析方法................................................13

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

第七部分極限設計原則與方法................................................17

第八部分船舶結構極限設計實踐應用.........................................21

第一部分船舶結構極限分析基礎理論

關鍵詞關鍵要點

船舶結構極限分析

1.船舶結構極限分析是評估船舶結構在極端載荷作用下承

載能力的方法。

2.它結合了數值模擬、實驗和理論方法，以預測船舶結構

的破壞模式和極限承載能力。

3.極限分析在旃舶設計和改裝過程中至關重要，確保船舶

在極端條件下的人員和貨物安全。

船舶結構失效模式

1.船舶結構的失效模式包括屈曲、剪切、拉伸、扭轉和疲

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。

3.確定潛在的失效模式是設計和預防結構故障的關鍵步

驟。

載荷類型和效應

1.船舶結構承受多種載荷，包括波浪載荷、風載荷、冰載

荷和碰撞載荷。

2.這些載荷會引起應力、變形和振動，影響船舶結構的完

整性。

3.極限分析考慮了載荷的時間而史和船舶的動態響應。

數值模擬方法

1.有限元法(FEM)是船舶結構極限分析中常用的數值模

擬方法。

2.FEM允許對復雜幾何形狀和材料行為進行求解。

3.數值模擬可預測船舶結構在不同載荷條件下的應力和變

形。

實驗驗證

1.實驗驗證對于驗證數值模擬結果和評估船舶結構的實際

性能至關重要。

2.實驗包括材料測試、結構部件測試和全船試驗。

3.實驗數據可用于校準數值模型并提高預測精度。

趨勢和前沿

i.機器學習和人工智能正在用于優化極限分析過程。

2.高性能計算使更大規模和更復雜的仿真成為可能。

3.先進材料和制造技術的應用為開發更高效的船舶結構提

供了機會。

船舶結構極限分析基礎理論

極限分析是一種非線性分析方法，用于評估船舶結構在超過彈性極限

后的承載能力。它基于以下基本原理：

1.材料本構關系：

材料本構關系描述了材料應力與應變之間的關系。在極限分析中，通

常采用雙線性理想化模型，其中：

*彈性階段：應力與應變成正比，斜率為彈性模量。

*塑性階段：應力達到屈服強度后，保持恒定值，而應變繼續增加。

2.平衡方程：

平衡方程包括動力學平衡方程和幾何兼容性方程。在極限分析中，動

力學平衡方程被簡化為靜力平衡方程，即外力筆于內力。幾何兼容性

方程確保結構的變形與應變場之間的一致性。

3.屈服準則：

屈服準則定義了材料屈服的條件。在極限分析中，常用的屈服準則包

括：

*馮米塞斯屈服準則：適用于各向同性材料，基于應力分量的有效值。

*Tresca屈服準則：也適用于各向同性材料，基于最大剪應力。

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構變形相容，且滿足材料的本

構關系和屈服準則，則結構可以承載該外力。

*下界定理：如果結構在任何給定的變形模式下不違反材料的本構關

系和屈服準則，則結構無法承載超過該變形模式所對應的外力。

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，從而確定結構的承載能力。

6.極限載荷：

極限載荷是船舶結構在極限狀態下能夠承受的最大外力。極限分析可

以用來確定極限載荷，從而為船舶結構的設計提供依據。

7.極限狀態：

極限狀態是指船舶結構超出彈性極限，出現永久變形或失效的情況。

極限分析可以用來評估結構是否接近極限狀態，從而指導船舶的運營

和維護。

極限分析在船舶結構設計中的應用：

極限分析廣泛應用于船舶結構設計，包括：

*結構強度評估：評估結構在極限載荷下的承載能力。

*減薄優化：根據極限分析結果，優化船體結構的厚度。

*碰撞和擱淺分析：模擬船舶在碰撞或擱淺事故中的結構響應。

*疲勞強度評估：考慮極限載荷對結構疲勞壽命的影響。

*規則制定：為船舶結構設計和建造提供基于極限分析的規范和準則。

第二部分極限狀態與極限強度定義

極限狀態與極限強度定義

極限狀態

極限狀態是指結構或構件無法抵抗施加的載荷，或其性能無法滿足預

期要求的狀態。極限狀態可分為兩類：

*強度極限狀態（ULS?：當載荷超過結構抵抗能力時，導致結構或構

件發生破壞或過大變形的狀態。

*服役極限狀態（SLS?：當載荷導致結構或構件的性能不滿足預期要

求，但未達到破壞或過大變形的狀態。

極限強度

極限強度是指結構或構件在達到強度極限狀態時的承載能力。極限強

度可根據不同的載荷類型和作用模式進行定義：

*屈服極限強度：結構或構件在屈服應力下的承載能力。

*極限承載能力：結構或構件達到最大載荷時的承載能力。

*疲勞極限強度：結構或構件在循環載荷下失效前的最大應力幅。

強度極限狀態設計方法

強度極限狀態設計方法旨在確保結構或構件在預期載荷下不發生破

壞或過大變形。該方法涉及以下步驟：

1.確定載荷效應

*計算作用在結構或構件上的各種載荷，包括靜載荷、動載荷和環境

載荷。

*考慮載荷組合和不利條件。

2.建立極限強度模型

*開發一個數學或物理模型，描述結構或構件的力學行為。

*確定構件的材料特性、幾何尺寸和邊界條件。

3.計算設計強度

*確定結構或構件在預期載荷下所需要的強度。

*考慮材料安全系數和可能的載荷不確定性。

4.驗證極限強度

*比較計算出的設計強度與極限強度。

*如果設計強度低于極限強度，則結構或構件不滿足強度極限狀態。

服役極限狀態設計方法

服役極限狀態設計方法旨在確保結構或構件在預期載荷下滿足功能

要求。該方法涉及以下步驟：

1.確定服役極限狀態準則

*確定結構或構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.建立服役極限狀態模型

*開發一個數學或物理模型，描述結構或構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.計算設計載荷

*確定結構或構件在服役極限狀態準則下允許的最大載荷。

*考慮材料安全系數和可能的載荷不確定性。

4.驗證服役極限狀態

*比較計算出的設計載荷與預期載荷。

*如果設計載荷高于預期載荷，則結構或構件滿足服役極限狀態要求。

第三部分材料極限分析與結構極限分析

關鍵詞關鍵要點

材料極限分析

1.材料力學原理的運用：基于材料力學的塑性和脆性破壞

理論，分析材料在極限狀態下的行為。

2.極限載有和變形能力的評估：確定材料在極限狀態下的

極限載荷承載能力和變形能力，為結構極限分析提供基礎。

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，以準確反映材料在極限狀態下的真實行

為。

結構極限分析

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構分析方法。它假

設材料是理想的彈塑性體，在屈服應力以下表現為彈性，在屈服應力

以上表現為塑性。材料極限分析的主要優點在于，它可以簡化結構分

析，并提供一個安全的下界解，確保結構在屈服或破壞之前不會發生

失效。

材料極限分析的基本原理

*屈服準則：用于確定材料何時屈服的數學方程。例如，馮-米塞斯

屈服準則和屈服包絡線。

*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：假設屈服材料的結構行為主要由塑性較支配。塑性較

是截面發生塑性變形的位置，導致截面強度的降低。

*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.確定屈服準則：選擇最適合所用材料的屈服準則。

2.計算塑性模量：確定屈服應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.設計結構：確保結構的實際載荷低于極限載荷，以防止屈服或破

壞。

結構極限分析

結構極限分析是一種基于結構整體坍塌極限的分析方法。它假設材料

是理想彈塑性體，并采用能量守恒原理來確定結構的極限載荷。與材

料極限分析不同，結構極限分析考慮了結構的幾何形狀和邊界條件。

結構極限分析的基本原理

*失效模式：結構在屈服或破壞之前發生的失效方式。失效模式可以

是塑性坍塌、彈性屈曲或失穩。

*極限載荷：引起結構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

結構的內部力來平衡外部能量。

*耗散能量：在結構失效過程中耗散的能量，包括塑性變形的能量和

動能。

結構極限分析的步驟

1.確定失效模式：根據結構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：構造一個滿足失效模式的虛擬位移場，該位移

場在結構的屈服或破壞位置產生位移。

3.計算內部力：根據虛擬位移場計算結構的內部力。

4.確定極限載荷：通過求解虛擬功方程來確定極限載荷。

5.設計結構：確保結構的實際載荷低于極限載荷，以防止失效。

材料極限分析與結構極限分析的比較

I特征I材料極限分析I結構極限分析I

I考慮的極限I材料屈服或破壞I結構失效I

I假設的材料行為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結構幾何形狀和邊界條件I

I適用性I簡單結構I復雜結構I

I精度I下界解I準確解I

I計算量I較低I較高I

應用

材料極限分析和結構極限分析廣泛應用于船舶、航天器、汽車和建筑

等工程結構的設計中。這些方法提供了在滿足安全和成本要求的同時

優化結構性能的有效工具。

第四部分靜態極限分析方法

關鍵詞關鍵要點

等效靜載荷法

-將波浪載荷轉化為靜態荷載進行極限分析，考慮波浪載

荷的最大值或設計值。

-通過數值模擬或經驗公式確定波浪載荷的等效靜態分

布，考慮波浪特性、黜舶幾何和結構響應。

-使用非線性有限元分析求解結構響應，確定應力、變形和

失效應力狀態。

準靜態法

-將波浪載荷以時變載荷的形式施加到結構上，考慮波浪

動態效應。

-使用顯式或隱式時域積分方法求解結構響應，捕捉結構

在波浪作用下的動態行為。

-基于時域響應，評估材料塑性、結構損傷和失效應力狀

態。

非線性時程法

-模擬實際波浪過程對船舶結構的非線性時程響應，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構響應，考慮材料非線性、

結構損傷和邊界條件的影響。

-基于時程響應，確定結構的垠大載荷、應力、變形和失效

應力狀態。

概率極限分析

-考慮波浪載荷、材料強度和結構幾何的隨機性，評估結構

失效應力的概率。

-使用蒙特卡洛模擬或其他概率方法進行多次極限分析，

得到結構失效應力的概率分布。

-基于概率分布，確定設計安全系數或目標可靠度級別的

結構極限載荷。

強度Reserve法

-將極限載荷除以實際載荷，得到強度Reserve系數。

-針對不同載荷情況下，確定最小強度Reserve系數，代表

結構的極限承載能力。

-通過比較強度Reserve系數與設計標準要求，評估結構的

極限強度是否滿足設計要求。

高級極限分析方法

結合先進的數值斑模、材料本構模型和計算方法，提高極

限分析的精度和可信度。

-考慮流固耦合效應、局部船體斷裂和結構優化等復雜因

素。

?利用機器學習和人工智能技術，實現極限分析過程的自

動化和智能化。

靜態極限分析方法

概述

靜態極限分析方法是一種船舶結構設計方法，用于確定結構在給定載

荷條件下的極限承載能力。該方法基于彈性力的基本原理，假設結構

在失效前表現為線彈性行為。

基本原則

靜態極限分析方法采用極限載荷倍數的概念。極限載荷倍數（LMF）

是導致結構達到極限承載能力的載荷與正常工作載荷之比。極限承載

能力是指結構出現不可接受的塑性變形或失效的臨界載荷。

計算步驟

靜態極限分析方法通常涉及以下步驟：

1.確定設計載荷：確定結構可能遇到的所有設計載荷，包括靜止和

動態載荷。

2.建立有限元模型：創建結構的有限元模型，以模擬其幾何形狀、

材料特性和載荷條件。

3.施加載荷：將設計載荷應用于有限元模型。

4.求解模型：使用有限元求解器求解有限元模型，獲得結構的應力、

應變和變形。

5.確定極限載荷倍數：通過逐步增加應用載荷并求解模型，確定結

構的極限載荷倍數。

6.評估結構強度：將極限載荷倍數與材料的屈服強度或極限強度進

行比較，以評估結構的強度。

優勢和局限性

優勢：

*相對簡單且易于應用。

*能夠提供有關結構極限承載能力的保守估計。

*適用于線彈性結構。

局限性：

*不考慮材料非線性。

*無法預測失效模式。

*對于非線彈性行為的結構可能不準確。

應用

靜態極限分析方法廣泛應用于各種船舶結構的設計，包括：

*船體結構

*甲板結構

*超級結構

*管道和管道系統

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：極限載荷倍數（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

第五部分準靜態極限分析方法

關鍵詞關鍵要點

【主題名稱】準好態極限分

析方法1.方法原理：

-將施加的載荷逐漸增大，直至達到結構承載能力極

限。

-假設材料在卸載后不發生恢復，忽略材料的動態效

應。

2.適用條件：

-結構或構件承受的載荷變化緩慢且接近靜態條件。

-材料具有良好的延展性，不會產生脆性破壞。

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，材料遵循應力-應變關系，結構

剛度逐漸下降。

-在塑性分析階段，材料進入整性階段，結構剛度進一

步降低，直至達到承載能力極限。

【主題名稱】有限元法

準靜態極限分析方法

準靜態極限分析方法是一種確定船舶結構極限承載能力的實用方法,

它基于以下假設：

*荷載施加緩慢，不產生顯著的慣性效應。

*材料行為為理想的彈塑性。

*船舶結構呈小變形狀態。

準靜態極限分析方法的基本步驟包括：

1.模型建立

*創建船舶結構的有限元模型，包括船體、甲板、隔艙和圍護結構。

*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

*定義設計荷載，包括波浪、風、貨物和壓載。

*逐一施加荷載，直至結構達到極限狀態。

3.材料行為建模

*使用塑性本構模型，如vonMises本構模型或Drucker-Prager

本構模型，來描述材料的屈服和塑性行為。

*考慮材料的應變硬化效應，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，求解結構方程組。

*迭代求解，直至殘余力達到容許值。

5.結果分析

*分析結構的應力、應變和形變。

*確定結構的屈服點和極限承載能力。

準靜態極限分析的應用

準靜態極限分析方法廣泛應用于以下方面：

*船舶結構強度評估

*船舶碰撞分析

*船舶擱淺分析

*船舶損傷耐受性分析

優缺點

優點：

*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，可能導致不保守的預測。

*適用于小變形狀態，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確建模。

結論

準靜態極限分析方法是一種有用的方法，可用于確定船舶結構的極限

承載能力。盡管它有一些局限性，但對于評估船舶結構的整體強度和

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，用于評估船舶結構在

波浪荷載下極限承載力。該方法通過數值求解船舶運動方程和結構響

應方程，以確定船舶結構的極限狀態和極限載荷。

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。

*船舶結構響應是船舶運動的函數，包括應力、應變和變形。

*船舶結構的極限承載力是由材料強度、結構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：建立船舶結構的詳細有限元模型，包括所

有主要構造部件（如船體、甲板、艙壁等）。

2.定義波浪荷載：根據設計海況，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（如航行、垂蕩、橫搖等）。

4.求解結構響應方程：根據船舶運動響應，求解船舶結構的響應，

包括應力、應變和變形。

5.評估極限承載力：通過比較計算出的結構響應與材料強度準則，

評估船舶結構的極限承載力。

非線性效應

動力極限分析考慮了船舶結構的非線性效應，包括：

*幾何非線性：由于大變形而導致的結構幾何形狀變化。

*材料非線性：由于應變而導致的材料應力-應變關系的非線性。

*接觸非線性：由于碰撞或接觸而導致的結構邊界條件的非線性。

優勢

動力極限分析方法具有以下優勢：

*能夠準確評估船舶結構在極端波浪荷載下的極限承載力。

*可以考慮結構的非線性效應，從而得到更真實的結果。

*對于復雜船舶結構的極限設計提供了寶貴的見解。

應用

動力極限分析方法廣泛應用于以下領域：

*新船設計

*船舶改裝和改造

*船舶損傷評估和修復

*船舶壽命評估

*海上結構安全評估

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。

*需要對船舶結構進行精確建模，這可能非常耗時。

*對波浪荷載和材料強度的準確性高度敏感。

第七部分極限設計原則與方法

關健詞關鍵要點

主題名稱：海上結構失效分

析1.海上結構失效分析的方法論和技術手段，包括失效模式

分析、失效樹分析、故障樹分析等。

2.海上結構失效原因的識別和分類，包括設計缺陷、制造

缺陷、使用不當、環境因素等。

3.海上結構失效后果的評估和預測，包括結構損壞、人員

傷亡、環境污染等。

主題名稱：概率風險評估

極限設計原則與方法

引言

極限設計原則是一種工程設計方法，通過分析結構的極限極限狀態來

確定構件尺寸和設計載荷。這種方法著重于確保結構能夠在極限荷載

作用下滿足安全性和適用性要求。

極限設計的基本原則

極限設計基于以下基本原則：

*極限狀態：結構可能發生的失效模式，例如屈服、失穩或破壞。

*極限荷載：導致結構達到極限狀態的預期荷載。

*設計強度：材料或構件在達到極限狀態之前能夠承受的最大應力或

力。

極限設計方法通過將極限荷載與設計強度進行比較來確定結構構件

的尺寸。如果極限荷載小于或等于設計強度，則結構被認為是安全的。

極限設計方法

極限設計方法有兩種主要類型：

1.極限載荷法

極限載荷法將結構荷載乘以一個安全系數，得到極限荷載。然后將極

限荷載應用于結構，以確定構件的應力和變形。如果應力和變形均小

于設計強度和允許變形極限，則結構被認為是安全的。

2.極限強度法

極限強度法將結構強度乘以一個安全系數，得到設計強度。然后將設

計強度與預期荷載進彳二比較。如果設計強度大于或等于預期荷載，則

結構被認為是安全的。

安全系數

安全系數用于考慮荷載和強度的不確定性，以及結構的可靠性要求。

安全系數的取值取決于以下因素：

*荷載的不確定性

*材料性質的不確定性

*結構分析方法的準確性

*所需的可靠性水平

失效模式的三種類型

在極限設計中，失效模式被歸類為以下三種類型：

1.強度限制狀態

強度限制狀態是指結構由于材料屈服或斷裂而失效。這些狀態通常由

過大的應力引起。

2.剛度限制狀態

剛度限制狀態是指結構由于過大的變形或振動而失效。這些狀態通常

由過大的荷載或不足的剛度引起。

3.疲勞限制狀態

疲勞限制狀態是指結構由于重復荷載的作用而失效。這些狀態通常由

循環應力引起。

極限設計在船舶結構中的應用

極限設計方法廣泛應用于船舶結構的設計中。該方法使設計人員能夠

以經濟有效的方式確保船舶結構的安全性。極限設計方法已應用于以

下船舶結構的分析和設計：

*船體殼板

*甲板結構

*縱向桁架

*橫向框架

*龍骨

極限設計方法的優點

極限設計方法具有以下優點：

*提供合理且經濟的設計。

*考慮結構的極限極限狀態。

*允許優化結構尺寸。

*為結構的安全性提供可靠的保證。

極限設計方法的局限性

極限設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。

*可能導致不保守的設計，如果荷載或強度的不確定性被低估。

*需要先進的分析技術來確定結構的極限極限狀態。

總體而言，極限設計方法是一種強大的工程設計工具，可用于確保船

舶結構的安全性。通過結合極限設計原則和方法，設計人員可以優化

結構尺寸，確保船舶結構能夠在預期荷載作用下滿足要求。

第八部分船舶結構極限設計實踐應用

關鍵詞關鍵要點

【船舶結構極限設計規程和

規范】1.國際海事組織（IMO）發布《國際船級社協會（IACS）

通用規范》（UR）和《船舶結構設計和建造規范》（CSR）,為

船舶結構極限設計提供國際標準和規范。

2.各大船級社制定自己的規則和規范，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

規則和規范旨在確保船舶結構的安全性。

3.這些規程和規范包括船體的基本設計要求、材料選擇、

規范、載荷計算和結構分析方法。

【船舶結構建模和分析方法】

船舶結構極限設計實踐應用

概述

極限設計是基于概率和統計原理的一種設計方法，將船舶結構設計為

在規定的極端載荷和環境條件下，不會發生破坎或達到極限狀態。這

種方法已在船舶結構設計實踐中得到廣泛應用，以確保船舶的安全性

和可靠性。

極限狀態

極限狀態是指結構達到預設的極限承載能力或發生不可接受的變形,

無法繼續安全運行的狀態。極限設計中考慮的主要極限狀態包括：

*強度極限狀態：結構在極端載荷下抵抗破損或失穩的能力。

*可變形極限狀態：結構在極端載荷下發生過度變形，影響船舶的航

行性能或安全性。

*疲勞極限狀態：結構