Smith法在船體極限強(qiáng)度評(píng)估中的應(yīng)用與改進(jìn)研究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球貿(mào)易的蓬勃發(fā)展，船舶作為海洋運(yùn)輸?shù)暮诵墓ぞ?，其重要性日益凸顯。從龐大的集裝箱船承載海量貨物穿梭于各大洲之間，到郵輪為人們帶來奢華的海上旅行體驗(yàn)，再到各類專業(yè)作業(yè)船在海洋資源開發(fā)、海上救援等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，船舶在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)與社會(huì)生活中扮演著不可或缺的角色。據(jù)國際航運(yùn)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，過去十年間，全球海運(yùn)貿(mào)易量持續(xù)攀升，船舶的數(shù)量與噸位也在不斷增長，大型化、專業(yè)化成為船舶發(fā)展的顯著趨勢。在船舶行業(yè)不斷發(fā)展的同時(shí)，船體結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟(jì)性成為船舶設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)營過程中至關(guān)重要的考量因素。船體作為船舶的主體結(jié)構(gòu)，如同人體的骨骼，承受著航行過程中各種復(fù)雜的載荷作用。在波濤洶涌的大海上，船體不僅要承受自身重力、貨物重量以及靜水壓力，還要抵御波浪產(chǎn)生的巨大沖擊力和彎矩。這些載荷可能導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形、屈曲甚至斷裂，嚴(yán)重威脅船舶的航行安全。一旦發(fā)生船體結(jié)構(gòu)失效事故，如歷史上著名的“泰坦尼克號(hào)”沉沒事件，不僅會(huì)造成人員生命的巨大損失，還會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因船舶結(jié)構(gòu)安全問題導(dǎo)致的事故造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)十億美元。因此，準(zhǔn)確評(píng)估船體的極限強(qiáng)度，對(duì)于保障船舶的安全航行具有舉足輕重的意義。從經(jīng)濟(jì)角度來看，船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與建造需要投入大量的資金和資源。傳統(tǒng)的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往采用較為保守的方法，以確保足夠的安全裕度，但這也導(dǎo)致了材料的過度使用和建造成本的增加。在當(dāng)前競爭激烈的船舶市場環(huán)境下，降低船舶的建造成本和運(yùn)營成本，提高船舶的經(jīng)濟(jì)性，成為船舶行業(yè)追求的重要目標(biāo)。而通過精確評(píng)估船體極限強(qiáng)度，可以在保證安全的前提下，優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理選用材料，實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)的輕量化，從而降低建造成本和燃油消耗，提高船舶的經(jīng)濟(jì)效益。在眾多評(píng)估船體極限強(qiáng)度的方法中，Smith法以其獨(dú)特的優(yōu)勢脫穎而出，成為研究的焦點(diǎn)。Smith法，即逐步破壞計(jì)算方法，它能夠考慮船體結(jié)構(gòu)中各個(gè)構(gòu)件的非線性行為，包括材料非線性和幾何非線性，以及構(gòu)件之間的相互作用。當(dāng)船體結(jié)構(gòu)中的某個(gè)構(gòu)件因承受過大的載荷而發(fā)生屈服或屈曲時(shí)，Smith法可以準(zhǔn)確地模擬該構(gòu)件失效后載荷重新分配的過程，進(jìn)而逐步分析整個(gè)船體結(jié)構(gòu)的破壞過程，直至達(dá)到極限狀態(tài)。與傳統(tǒng)的基于彈性理論的計(jì)算方法相比，Smith法能夠更真實(shí)地反映船體結(jié)構(gòu)在實(shí)際載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)和破壞機(jī)制，為船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、評(píng)估和優(yōu)化提供了更為準(zhǔn)確和可靠的依據(jù)。在船舶設(shè)計(jì)階段，利用Smith法可以對(duì)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行極限強(qiáng)度分析，篩選出最優(yōu)方案，避免因設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致的安全隱患和成本浪費(fèi)；在船舶運(yùn)營階段，Smith法可以用于評(píng)估船舶在長期服役過程中結(jié)構(gòu)性能的變化，為船舶的維修、保養(yǎng)和改造提供科學(xué)指導(dǎo)，延長船舶的使用壽命，降低運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。因此，深入研究基于Smith法的船體極限強(qiáng)度評(píng)估方法，對(duì)于推動(dòng)船舶行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，提高船舶的安全性與經(jīng)濟(jì)性，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀船體極限強(qiáng)度評(píng)估作為船舶工程領(lǐng)域的關(guān)鍵研究方向，長期以來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。自1874年John提出船體結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度校核的基本方法體系以來，船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究不斷演進(jìn)。早期的研究多基于彈性理論，采用許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法（ASD法）評(píng)估船體強(qiáng)度。該方法通過比較甲板或船底的彈性應(yīng)力與許用應(yīng)力（材料屈服強(qiáng)度的百分?jǐn)?shù)）來評(píng)估船體的總體縱強(qiáng)度，在聯(lián)合名義垂向波浪彎矩使用時(shí)，對(duì)普通船型的安全性能有一定保障。但它無法真實(shí)反映船體遭受破壞的全過程，尤其對(duì)于特殊船型設(shè)計(jì)存在明顯不足。隨著對(duì)船體結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制認(rèn)識(shí)的深入，考慮非線性因素的極限強(qiáng)度評(píng)估方法逐漸成為研究熱點(diǎn)。其中，Smith法作為一種重要的逐步破壞計(jì)算方法，在國內(nèi)外得到了廣泛的研究與應(yīng)用。在國外，英國學(xué)者Smith最早于1977年提出了該方法。他考慮了船體結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的非線性行為，包括材料非線性和幾何非線性，以及構(gòu)件失效后的載荷重新分配，能夠較為真實(shí)地模擬船體結(jié)構(gòu)的破壞過程。此后，眾多國外學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入研究與拓展。如日本學(xué)者Yoshikawa等采用Smith法研究了結(jié)構(gòu)和荷載不確定性對(duì)船體大梁可靠性估計(jì)的影響，考慮了材料特性、幾何特性、初始幾何缺陷和腐蝕行為等結(jié)構(gòu)不確定性，以及統(tǒng)計(jì)不確定性、模型不確定性、環(huán)境不確定性和非線性不確定性等荷載不確定性，通過蒙特卡羅模擬計(jì)算概率密度函數(shù)，采用一階可靠性方法估計(jì)船舶的可靠性指標(biāo)，結(jié)果表明沉降條件主導(dǎo)坍塌模式。美國的一些研究團(tuán)隊(duì)利用Smith法對(duì)不同船型，如集裝箱船、油輪等進(jìn)行極限強(qiáng)度分析，深入探討了不同結(jié)構(gòu)形式和載荷工況下船體結(jié)構(gòu)的極限承載能力及破壞模式。在國內(nèi)，船體極限強(qiáng)度評(píng)估的研究也取得了豐碩成果。武漢理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)采用直接法推導(dǎo)了計(jì)算完整和破損船體極限強(qiáng)度的理論公式，并通過算例與Smith法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性。他們的研究涵蓋了船體結(jié)構(gòu)在碰撞、擱淺等工況下的極限強(qiáng)度分析，為船舶安全性評(píng)估提供了重要理論支持。重慶交通大學(xué)的學(xué)者對(duì)船體板開展循環(huán)載荷下基于彈性安定臨界狀態(tài)的極限強(qiáng)度非線性有限元數(shù)值模擬，采用有限元軟件ANSYS，研究了理想彈塑性模型、循環(huán)塑性Chaboche材料模型對(duì)達(dá)到彈性安定臨界狀態(tài)后船體板焊接殘余應(yīng)力釋放及極限強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力經(jīng)過第1次循環(huán)后基本得到釋放，在達(dá)到彈性安定狀態(tài)后船體板殘余應(yīng)力趨于穩(wěn)定，且算例采用Chaboche模型所得極限強(qiáng)度要高于理想彈塑性模型。此外，中國船舶科學(xué)研究中心等科研機(jī)構(gòu)也在不斷開展相關(guān)研究，推動(dòng)了基于Smith法的船體極限強(qiáng)度評(píng)估方法在工程實(shí)際中的應(yīng)用。盡管國內(nèi)外在基于Smith法的船體極限強(qiáng)度評(píng)估方面取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足與空白。在材料特性方面，雖然考慮了材料非線性，但對(duì)于新型材料在船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，其復(fù)雜的力學(xué)性能和本構(gòu)關(guān)系尚未得到充分研究，導(dǎo)致在評(píng)估采用新型材料的船體極限強(qiáng)度時(shí)存在一定誤差。在載荷工況方面，船舶實(shí)際航行過程中會(huì)受到多種復(fù)雜載荷的耦合作用，如波浪載荷、風(fēng)載荷、砰擊載荷等，目前的研究大多僅考慮單一或少數(shù)幾種載荷，難以全面準(zhǔn)確地反映船舶實(shí)際受力情況。在模型簡化方面，為了提高計(jì)算效率，Smith法在實(shí)際應(yīng)用中往往對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的簡化，這可能會(huì)忽略一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)對(duì)極限強(qiáng)度的影響，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。此外，對(duì)于不同船型、不同尺度船體結(jié)構(gòu)的通用性研究還不夠深入，缺乏一套普適性強(qiáng)的評(píng)估體系。未來的研究需要針對(duì)這些問題展開，進(jìn)一步完善基于Smith法的船體極限強(qiáng)度評(píng)估方法，提高其準(zhǔn)確性和可靠性，以滿足船舶行業(yè)不斷發(fā)展的需求。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容Smith法原理深入剖析：全面梳理Smith法的基本理論框架，包括其對(duì)船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件非線性行為的考慮方式，如材料非線性中材料的屈服、強(qiáng)化等特性，以及幾何非線性中結(jié)構(gòu)大變形、初始缺陷等因素的影響。詳細(xì)研究構(gòu)件失效后載荷重新分配的計(jì)算模型和算法，明確其理論基礎(chǔ)和適用條件，為后續(xù)的應(yīng)用與改進(jìn)提供堅(jiān)實(shí)的理論支撐。Smith法在船體極限強(qiáng)度評(píng)估中的應(yīng)用研究：針對(duì)不同船型，如集裝箱船、散貨船、油輪等，選取具有代表性的船舶實(shí)例，運(yùn)用Smith法進(jìn)行船體極限強(qiáng)度評(píng)估。分析在各種典型載荷工況下，如靜水壓力、波浪彎矩、砰擊載荷等單獨(dú)作用以及多種載荷耦合作用時(shí)，船體結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)和極限承載能力。通過計(jì)算結(jié)果，深入探討不同船型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)極限強(qiáng)度的影響規(guī)律，例如集裝箱船的大開口結(jié)構(gòu)對(duì)其強(qiáng)度的削弱作用，以及油輪雙層底結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)強(qiáng)度方面的優(yōu)勢等。Smith法的改進(jìn)與優(yōu)化：針對(duì)現(xiàn)有研究中Smith法存在的不足，從多個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。在材料模型方面，引入更符合新型材料力學(xué)性能的本構(gòu)關(guān)系，考慮材料在復(fù)雜載荷和環(huán)境條件下的劣化效應(yīng)，如腐蝕、疲勞等對(duì)材料性能的影響，提高材料模型的準(zhǔn)確性。在載荷工況模擬方面，建立更完善的多載荷耦合模型，綜合考慮船舶航行過程中可能遇到的各種實(shí)際載荷情況，通過數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，確定各種載荷的組合方式和作用權(quán)重，使載荷工況更貼近實(shí)際。在模型簡化方面，提出更合理的簡化原則和方法，既要保證計(jì)算效率，又要盡可能準(zhǔn)確地反映關(guān)鍵結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)對(duì)極限強(qiáng)度的影響。例如，對(duì)于一些復(fù)雜的局部結(jié)構(gòu)，可以采用子模型技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化分析，將其結(jié)果融入整體模型中，以提高評(píng)估的準(zhǔn)確性。對(duì)比驗(yàn)證與結(jié)果分析：將改進(jìn)后的Smith法與傳統(tǒng)的船體極限強(qiáng)度評(píng)估方法，如基于彈性理論的許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法、直接計(jì)算法等進(jìn)行對(duì)比分析。通過大量的數(shù)值算例和實(shí)際船舶案例，比較不同方法在計(jì)算結(jié)果、計(jì)算效率、適用范圍等方面的差異。同時(shí)，利用有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立高精度的船體結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)Smith法及其改進(jìn)方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。通過對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估改進(jìn)后的Smith法的優(yōu)勢和局限性，為其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。1.3.2研究方法理論分析：運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)Smith法的原理進(jìn)行深入研究和推導(dǎo)。分析船體結(jié)構(gòu)在各種載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)，建立合理的力學(xué)模型，為數(shù)值模擬和實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。例如，基于材料的本構(gòu)關(guān)系和結(jié)構(gòu)的平衡方程，推導(dǎo)構(gòu)件失效后的載荷重新分配公式，從理論層面解釋Smith法的計(jì)算過程。數(shù)值模擬：借助專業(yè)的數(shù)值計(jì)算軟件，如自編的基于Smith法的計(jì)算程序、大型通用有限元軟件等，對(duì)不同船型的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限強(qiáng)度分析。通過數(shù)值模擬，可以快速、準(zhǔn)確地得到船體結(jié)構(gòu)在各種載荷工況下的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及極限承載能力，為研究提供豐富的數(shù)據(jù)支持。在數(shù)值模擬過程中，合理設(shè)置模型參數(shù)，如材料屬性、幾何尺寸、邊界條件等，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。案例研究：選取實(shí)際的船舶案例，收集相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)、建造資料和運(yùn)營數(shù)據(jù)。運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，對(duì)這些案例進(jìn)行詳細(xì)的分析和評(píng)估，驗(yàn)證研究方法的有效性和實(shí)用性。同時(shí)，通過對(duì)實(shí)際案例的研究，發(fā)現(xiàn)實(shí)際工程中存在的問題和挑戰(zhàn)，為進(jìn)一步改進(jìn)研究方法和完善理論體系提供參考。二、Smith法基本原理剖析2.1Smith法核心理論2.1.1船體結(jié)構(gòu)離散化Smith法的首要步驟是將復(fù)雜的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理，這一過程猶如將一幅精美的拼圖拆解成一個(gè)個(gè)小塊，以便于后續(xù)對(duì)每一個(gè)部分進(jìn)行細(xì)致的分析。通常情況下，船體結(jié)構(gòu)會(huì)被離散為板單元和梁單元。對(duì)于板單元，它主要用于模擬船體的各種板狀結(jié)構(gòu)，如甲板、船殼板、艙壁板等。在離散過程中，依據(jù)船體結(jié)構(gòu)的實(shí)際幾何形狀和尺寸，將這些連續(xù)的板劃分成若干個(gè)小的矩形或四邊形板單元。例如，對(duì)于一艘典型的集裝箱船，其甲板面積較大，可根據(jù)甲板的加強(qiáng)筋布置情況，將甲板離散為多個(gè)尺寸適中的板單元，每個(gè)板單元的邊長可根據(jù)計(jì)算精度和計(jì)算效率的要求來確定，一般在0.5-2米之間。這種離散方式能夠較為準(zhǔn)確地反映甲板在各種載荷作用下的力學(xué)行為，因?yàn)槊總€(gè)板單元都可以獨(dú)立地考慮其材料特性、受力狀態(tài)以及與相鄰單元之間的相互作用。梁單元?jiǎng)t主要用于模擬船體中的各種梁狀構(gòu)件，如肋骨、縱骨、桁材等。這些梁狀構(gòu)件在船體結(jié)構(gòu)中起著支撐和傳遞載荷的重要作用。在離散時(shí)，根據(jù)梁的長度、截面形狀和尺寸，將其簡化為梁單元。例如，船體的肋骨通常為T型截面，在離散時(shí)，可將其等效為等截面的梁單元，梁單元的長度與肋骨的實(shí)際長度相等，截面特性則根據(jù)T型截面的幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。通過將這些梁狀構(gòu)件離散為梁單元，可以方便地運(yùn)用梁的理論來分析其在彎曲、拉伸、壓縮等載荷作用下的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況。船體結(jié)構(gòu)離散化對(duì)于后續(xù)分析具有至關(guān)重要的作用。離散化能夠?qū)?fù)雜的連續(xù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為有限個(gè)簡單的單元組合，使得計(jì)算過程得以簡化，便于利用數(shù)值方法進(jìn)行求解。通過對(duì)每個(gè)單元的力學(xué)性能進(jìn)行獨(dú)立分析，可以更細(xì)致地了解船體結(jié)構(gòu)在不同部位的受力狀態(tài)和變形情況，為準(zhǔn)確評(píng)估船體極限強(qiáng)度提供了基礎(chǔ)。離散化后的模型還便于考慮各種非線性因素，如材料非線性和幾何非線性，因?yàn)榭梢葬槍?duì)每個(gè)單元分別定義其材料本構(gòu)關(guān)系和幾何變形模式，從而更真實(shí)地模擬船體結(jié)構(gòu)在實(shí)際載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)。2.1.2應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系確定在船舶結(jié)構(gòu)中，準(zhǔn)確確定單個(gè)構(gòu)件的平均應(yīng)力-平均應(yīng)變關(guān)系是Smith法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它如同構(gòu)建高樓大廈的基石，直接影響著整個(gè)評(píng)估方法的精度和可靠性。對(duì)于船體結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系并非簡單的線性關(guān)系，而是涉及到材料非線性和幾何非線性等復(fù)雜因素。在材料非線性方面，鋼材是船體結(jié)構(gòu)的主要材料，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出典型的彈塑性特征。在彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，符合胡克定律，即\sigma=E\varepsilon，其中\(zhòng)sigma為應(yīng)力，\varepsilon為應(yīng)變，E為彈性模量。然而，當(dāng)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度\sigma_y后，材料進(jìn)入塑性階段，此時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不再遵循胡克定律，材料會(huì)發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形。在塑性階段，通常采用塑性本構(gòu)模型來描述材料的力學(xué)行為，如理想彈塑性模型、雙線性強(qiáng)化模型等。理想彈塑性模型假設(shè)材料在屈服后，應(yīng)力不再增加，而應(yīng)變可以繼續(xù)增大；雙線性強(qiáng)化模型則考慮了材料在屈服后的強(qiáng)化現(xiàn)象，即隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)地增加。幾何非線性方面，主要考慮結(jié)構(gòu)的大變形和初始缺陷的影響。當(dāng)船體結(jié)構(gòu)受到較大的載荷作用時(shí)，構(gòu)件會(huì)發(fā)生大變形，此時(shí)結(jié)構(gòu)的幾何形狀會(huì)發(fā)生顯著變化，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能也發(fā)生改變。例如，板單元在受壓時(shí)可能會(huì)發(fā)生屈曲變形，這種屈曲變形會(huì)使板的受力狀態(tài)變得更加復(fù)雜，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也會(huì)偏離線性關(guān)系。初始缺陷，如焊接殘余應(yīng)力、初始幾何偏差等，也會(huì)對(duì)構(gòu)件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系產(chǎn)生影響。焊接殘余應(yīng)力是在焊接過程中由于不均勻的加熱和冷卻而產(chǎn)生的，它會(huì)在構(gòu)件內(nèi)部形成自平衡的應(yīng)力場，降低構(gòu)件的承載能力。初始幾何偏差則會(huì)使構(gòu)件在受力時(shí)產(chǎn)生附加的彎曲應(yīng)力，從而影響其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。為了準(zhǔn)確確定單個(gè)構(gòu)件的平均應(yīng)力-平均應(yīng)變關(guān)系，通常采用理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法。通過理論分析，可以推導(dǎo)構(gòu)件在不同受力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算公式，為數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。數(shù)值模擬則可以利用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立構(gòu)件的詳細(xì)模型，考慮各種非線性因素，模擬其在不同載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。試驗(yàn)研究則是通過對(duì)實(shí)際構(gòu)件進(jìn)行加載試驗(yàn)，測量其在不同載荷水平下的應(yīng)力和應(yīng)變，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，并為建立更準(zhǔn)確的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型提供數(shù)據(jù)支持。例如，對(duì)于一塊典型的船體加筋板，通過理論分析可以得到其在軸向壓縮載荷下的屈曲應(yīng)力計(jì)算公式；利用有限元軟件可以模擬其在不同初始缺陷和載荷條件下的應(yīng)力-應(yīng)變分布情況；通過試驗(yàn)研究則可以測量加筋板在實(shí)際加載過程中的應(yīng)力和應(yīng)變，對(duì)比理論和數(shù)值模擬結(jié)果，進(jìn)一步完善應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型。單個(gè)構(gòu)件的平均應(yīng)力-平均應(yīng)變關(guān)系對(duì)Smith法的精度有著至關(guān)重要的影響。如果應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不準(zhǔn)確，那么在計(jì)算船體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況產(chǎn)生較大偏差，可能會(huì)高估或低估船體的承載能力，從而給船舶的安全航行帶來隱患。因此，在應(yīng)用Smith法進(jìn)行船體極限強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，必須高度重視單個(gè)構(gòu)件應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的確定，采用合理的模型和方法，盡可能準(zhǔn)確地描述構(gòu)件的力學(xué)行為。2.1.3彎矩-曲率曲線推導(dǎo)彎矩-曲率曲線是Smith法中用于評(píng)估船體極限強(qiáng)度的重要工具，它直觀地展示了船體在承受逐漸增加的縱向彎曲載荷時(shí)的力學(xué)響應(yīng)過程。在推導(dǎo)彎矩-曲率曲線時(shí)，主要通過逐步增加船體縱向彎曲曲率的方式來模擬船體結(jié)構(gòu)的破壞過程。具體而言，首先基于前面離散化得到的板單元和梁單元，以及確定的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，對(duì)每個(gè)單元在不同曲率下的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)給定一個(gè)初始的縱向彎曲曲率\kappa_1時(shí)，根據(jù)平截面假定，船體橫截面上各點(diǎn)的應(yīng)變與該點(diǎn)到中和軸的距離成正比，即\varepsilon=\kappay，其中\(zhòng)varepsilon為應(yīng)變，\kappa為曲率，y為該點(diǎn)到中和軸的距離?；诖耍梢杂?jì)算出每個(gè)單元的應(yīng)變。然后，根據(jù)單元的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，確定每個(gè)單元的應(yīng)力。例如，對(duì)于處于彈性階段的板單元，根據(jù)胡克定律\sigma=E\varepsilon，可以計(jì)算出其應(yīng)力；對(duì)于進(jìn)入塑性階段的單元，則需根據(jù)相應(yīng)的塑性本構(gòu)模型來計(jì)算應(yīng)力。在得到每個(gè)單元的應(yīng)力后，通過對(duì)橫截面上所有單元的應(yīng)力進(jìn)行積分，可以得到船體橫截面上的總彎矩M_1。具體計(jì)算公式為M=\int_{A}\sigmaydA，其中A為船體橫截面積。此時(shí)，就得到了彎矩-曲率曲線上的一個(gè)點(diǎn)(\kappa_1,M_1)。接著，逐漸增加縱向彎曲曲率，如增加到\kappa_2，重復(fù)上述計(jì)算過程，得到新的彎矩M_2，從而得到曲線上的另一個(gè)點(diǎn)(\kappa_2,M_2)。通過不斷增加曲率，重復(fù)計(jì)算，就可以得到一系列的點(diǎn)，將這些點(diǎn)連接起來，就形成了彎矩-曲率曲線。在這個(gè)過程中，隨著曲率的不斷增加，船體結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件會(huì)逐漸發(fā)生屈服、屈曲等失效現(xiàn)象。當(dāng)構(gòu)件發(fā)生屈服時(shí)，其應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度，進(jìn)入塑性變形階段；當(dāng)構(gòu)件發(fā)生屈曲時(shí)，其承載能力會(huì)急劇下降。這些失效現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)的剛度逐漸降低，反映在彎矩-曲率曲線上，就是曲線的斜率逐漸減小。當(dāng)曲線的斜率減小至零時(shí)，意味著船體結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到了極限承載狀態(tài)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的彎矩即為船體梁的極限彎矩M_{u}。極限彎矩是船體結(jié)構(gòu)能夠承受的最大彎矩，超過這個(gè)值，船體結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生破壞，無法繼續(xù)承載載荷。通過確定極限彎矩，可以準(zhǔn)確評(píng)估船體的極限強(qiáng)度，為船舶的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營提供重要的參考依據(jù)。2.2Smith法計(jì)算流程詳解Smith法的計(jì)算流程是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)且復(fù)雜的過程，它如同一條精密的生產(chǎn)線，從結(jié)構(gòu)離散開始，經(jīng)過一系列的參數(shù)輸入、加載計(jì)算等環(huán)節(jié)，最終輸出準(zhǔn)確的船體極限強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果。下面以流程圖（圖1）的形式展示并詳細(xì)說明其完整流程：@startumlstart:結(jié)構(gòu)離散化，將船體結(jié)構(gòu)離散為板單元和梁單元;:輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)，如單元尺寸、材料屬性等;:輸入載荷參數(shù)，如靜水壓力、波浪彎矩等;:初始化計(jì)算參數(shù)，設(shè)定初始曲率、迭代步長等;:計(jì)算單元應(yīng)變，根據(jù)平截面假定和給定曲率計(jì)算;:確定單元應(yīng)力，依據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系;:判斷單元是否失效，對(duì)比應(yīng)力與屈服強(qiáng)度、屈曲應(yīng)力;:更新結(jié)構(gòu)模型，移除失效單元，調(diào)整單元連接關(guān)系;:計(jì)算截面內(nèi)力，對(duì)有效單元應(yīng)力積分得總彎矩、軸力;:判斷是否滿足收斂條件，如彎矩變化率小于閾值;:增加曲率，調(diào)整迭代步長;:輸出極限強(qiáng)度結(jié)果，包括極限彎矩、破壞模式等;stop@enduml圖1Smith法計(jì)算流程圖結(jié)構(gòu)離散：將復(fù)雜的船體結(jié)構(gòu)離散為板單元和梁單元。例如，對(duì)于一艘大型集裝箱船，其甲板、船殼板等大面積的板狀結(jié)構(gòu)可離散為眾多的矩形板單元，每個(gè)板單元的邊長根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和計(jì)算精度要求，可在0.5-2米之間取值；而肋骨、縱骨等梁狀構(gòu)件則離散為梁單元，梁單元的長度與實(shí)際構(gòu)件長度一致，截面特性根據(jù)梁的實(shí)際截面形狀和尺寸進(jìn)行計(jì)算。參數(shù)輸入：結(jié)構(gòu)參數(shù)：詳細(xì)輸入離散后各單元的尺寸信息，如板單元的長、寬、厚度，梁單元的長度、截面形狀和尺寸等；準(zhǔn)確輸入材料屬性，包括彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等，這些參數(shù)對(duì)于描述材料的力學(xué)性能至關(guān)重要。載荷參數(shù)：明確輸入船舶在不同工況下所承受的各種載荷，如靜水壓力，其大小與船舶吃水深度相關(guān)，可根據(jù)船舶的設(shè)計(jì)吃水和相關(guān)水動(dòng)力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算；波浪彎矩，可通過波浪理論和船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析來確定，常見的計(jì)算方法有切片理論、三維勢流理論等。逐步加載計(jì)算：初始化計(jì)算參數(shù)：設(shè)定初始縱向彎曲曲率，該初始值通常較小，如0.001m?1，以模擬船體在初始加載階段的狀態(tài)；確定迭代步長，迭代步長的選擇需要綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率，一般可在0.0001-0.001m?1之間取值，步長過小會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量大幅增加，步長過大則可能影響計(jì)算精度。計(jì)算單元應(yīng)變：根據(jù)平截面假定，在給定的縱向彎曲曲率下，計(jì)算每個(gè)單元的應(yīng)變。對(duì)于板單元，其應(yīng)變與到中和軸的距離成正比，通過公式\varepsilon=\kappay進(jìn)行計(jì)算，其中\(zhòng)varepsilon為應(yīng)變，\kappa為曲率，y為單元到中和軸的距離。確定單元應(yīng)力：依據(jù)前面確定的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，計(jì)算單元的應(yīng)力。對(duì)于處于彈性階段的單元，根據(jù)胡克定律\sigma=E\varepsilon計(jì)算應(yīng)力；對(duì)于進(jìn)入塑性階段的單元，根據(jù)相應(yīng)的塑性本構(gòu)模型，如理想彈塑性模型、雙線性強(qiáng)化模型等進(jìn)行計(jì)算。判斷單元是否失效：將計(jì)算得到的單元應(yīng)力與材料的屈服強(qiáng)度、屈曲應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。若單元應(yīng)力達(dá)到或超過屈服強(qiáng)度，則認(rèn)為該單元發(fā)生屈服失效；若單元應(yīng)力達(dá)到屈曲應(yīng)力，則認(rèn)為單元發(fā)生屈曲失效。更新結(jié)構(gòu)模型：當(dāng)有單元失效時(shí)，移除失效單元，并調(diào)整剩余單元之間的連接關(guān)系和受力狀態(tài)。例如，若某一板單元發(fā)生屈曲失效，將其從模型中移除，然后重新計(jì)算相鄰單元的受力和變形，考慮載荷在剩余有效單元之間的重新分配。計(jì)算截面內(nèi)力：對(duì)所有有效單元的應(yīng)力進(jìn)行積分，得到船體橫截面上的總彎矩、軸力等內(nèi)力?？倧澗赝ㄟ^公式M=\int_{A}\sigmaydA計(jì)算，其中A為船體橫截面積，y為單元到中和軸的距離。判斷是否滿足收斂條件：檢查計(jì)算得到的彎矩變化率是否小于預(yù)先設(shè)定的閾值，如0.01%。若滿足，則認(rèn)為計(jì)算收斂，停止加載；若不滿足，則繼續(xù)增加縱向彎曲曲率，按照設(shè)定的迭代步長進(jìn)行下一輪計(jì)算。結(jié)果輸出：當(dāng)計(jì)算收斂后，輸出船體的極限強(qiáng)度結(jié)果，包括極限彎矩，它是船體能夠承受的最大彎矩，反映了船體的極限承載能力；同時(shí)輸出船體的破壞模式，如哪些部位的構(gòu)件先發(fā)生屈服、哪些部位先發(fā)生屈曲等，這些信息對(duì)于深入了解船體結(jié)構(gòu)的失效過程和薄弱環(huán)節(jié)具有重要意義。通過以上完整且細(xì)致的計(jì)算流程，Smith法能夠較為準(zhǔn)確地評(píng)估船體的極限強(qiáng)度，為船舶工程領(lǐng)域提供了重要的技術(shù)支持。三、基于Smith法的船體極限強(qiáng)度評(píng)估案例分析3.1案例船舶選取與參數(shù)設(shè)定3.1.1船舶類型與特點(diǎn)介紹本研究選取一艘典型的17.5萬噸級(jí)散貨船作為案例船舶，該船型在全球干散貨運(yùn)輸領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用和代表性。散貨船作為專門用于運(yùn)輸散裝貨物，如煤炭、礦石、谷物等的船舶，其在全球海運(yùn)貿(mào)易中扮演著舉足輕重的角色。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全球海運(yùn)貨物總量中，干散貨運(yùn)輸量占比超過40%，而17.5萬噸級(jí)散貨船憑借其較大的載重量和良好的經(jīng)濟(jì)性，成為眾多航運(yùn)企業(yè)的首選船型之一。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，該散貨船采用單甲板、雙層底結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有諸多優(yōu)勢。單甲板設(shè)計(jì)使得貨物裝卸過程更加便捷高效，能夠減少貨物裝卸時(shí)間，提高船舶的運(yùn)營效率。雙層底結(jié)構(gòu)則為船舶提供了額外的安全保障，增強(qiáng)了船舶在航行過程中的抗沉性。當(dāng)船舶遭遇碰撞、擱淺等意外事故時(shí)，雙層底能夠有效地吸收和分散沖擊力，保護(hù)船舶的主體結(jié)構(gòu)，降低事故造成的損失。在雙層底結(jié)構(gòu)中，采用縱骨架式設(shè)計(jì)，縱骨間距通常在0.6-0.8米之間，這種設(shè)計(jì)能夠提高船體的縱向強(qiáng)度，使其更好地承受總縱彎曲應(yīng)力。同時(shí)，在船底還設(shè)置了箱形中底桁，箱形中底桁的寬度一般為船寬的5%-8%，它不僅能夠增強(qiáng)船底的局部強(qiáng)度，還能在船舶發(fā)生傾斜時(shí)提供額外的扶正力矩，保證船舶的穩(wěn)性。該散貨船的貨艙區(qū)域還設(shè)有頂邊艙和底邊艙。頂邊艙和底邊艙的存在不僅增加了船舶的壓載能力，還能有效地調(diào)整船舶的重心位置，提高船舶在不同裝載工況下的穩(wěn)性。頂邊艙的斜邊與水平方向的夾角一般在35°-45°之間，這樣的角度設(shè)計(jì)既能保證貨物在艙內(nèi)的穩(wěn)定堆放，又能方便貨物的裝卸。底邊艙的寬度一般為船寬的10%-15%，其內(nèi)部設(shè)置有縱骨，縱骨間距與船底縱骨間距相匹配，進(jìn)一步增強(qiáng)了底邊艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。此外，為了滿足貨物裝卸的需求，貨艙口寬度較大，通常為船寬的40%-50%，這使得貨物能夠快速地進(jìn)出貨艙，提高了船舶的裝卸效率。但大艙口設(shè)計(jì)也對(duì)船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求，因?yàn)榕摽诘拇嬖跁?huì)削弱船體的整體剛性，在船舶承受總縱彎曲載荷時(shí)，艙口周圍容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加強(qiáng)措施來保證船體的強(qiáng)度。3.1.2關(guān)鍵參數(shù)獲取與整理為了準(zhǔn)確運(yùn)用Smith法對(duì)該散貨船進(jìn)行船體極限強(qiáng)度評(píng)估，全面、準(zhǔn)確地獲取和整理關(guān)鍵參數(shù)至關(guān)重要。這些參數(shù)主要涵蓋船體尺寸、材料屬性以及結(jié)構(gòu)布置等多個(gè)方面。船體尺寸參數(shù)方面，通過查閱船舶設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)技術(shù)文檔，獲取到該船的總長為289米，垂線間長為279米，型寬為45米，型深為24米，設(shè)計(jì)吃水為16米。這些尺寸參數(shù)直接影響著船體在水中的浮力分布、所受的水動(dòng)力載荷以及結(jié)構(gòu)的幾何形狀，進(jìn)而對(duì)船體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。例如，船長和型寬決定了船體的濕表面積，濕表面積越大，船舶在航行時(shí)受到的水阻力就越大，相應(yīng)地，船體所承受的波浪沖擊力也會(huì)增加；型深和吃水則影響著船舶的重心位置和穩(wěn)性，合理的型深和吃水比例能夠保證船舶在不同裝載工況下具有良好的穩(wěn)性。材料屬性參數(shù)主要涉及船體結(jié)構(gòu)所用鋼材的性能指標(biāo)。該散貨船的主體結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋼，其屈服強(qiáng)度為355MPa，抗拉強(qiáng)度為490-630MPa，彈性模量為2.06×10?MPa，泊松比為0.3。鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度決定了船體結(jié)構(gòu)在承受載荷時(shí)的承載能力和變形特性，當(dāng)船體結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，材料會(huì)發(fā)生塑性變形；當(dāng)應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)將發(fā)生斷裂。彈性模量則反映了材料在彈性階段的剛度，彈性模量越大，材料在受力時(shí)的變形越小，能夠更好地保持結(jié)構(gòu)的形狀和穩(wěn)定性。泊松比則描述了材料在橫向變形與縱向變形之間的關(guān)系，對(duì)于分析船體結(jié)構(gòu)在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的變形情況具有重要意義。結(jié)構(gòu)布置參數(shù)詳細(xì)描述了船體各構(gòu)件的分布和連接方式。在甲板結(jié)構(gòu)方面，甲板板厚度在船中區(qū)域?yàn)?0毫米，向首尾端逐漸減薄至16毫米；甲板縱骨采用球扁鋼，間距為0.7米，尺寸為150×10毫米。船殼板厚度在船中區(qū)域?yàn)?2毫米，在水線以下和船首船尾等易受沖擊的部位適當(dāng)加厚；船殼縱骨間距為0.65米，尺寸為160×12毫米。艙壁板厚度根據(jù)艙室的功能和受力情況有所不同，橫艙壁板厚度一般為18毫米，縱艙壁板厚度為16毫米；艙壁扶強(qiáng)材采用角鋼，間距為0.8米，尺寸為100×8毫米。這些結(jié)構(gòu)布置參數(shù)決定了船體結(jié)構(gòu)的承載能力和受力傳遞路徑，不同部位的構(gòu)件尺寸和連接方式的設(shè)計(jì)都是為了使船體能夠有效地承受各種載荷，確保船舶的安全航行。準(zhǔn)確獲取和整理這些關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于船體極限強(qiáng)度評(píng)估具有決定性的影響。如果參數(shù)存在誤差或不準(zhǔn)確，那么在運(yùn)用Smith法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將導(dǎo)致對(duì)船體結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的錯(cuò)誤判斷，可能會(huì)高估或低估船體的極限強(qiáng)度。例如，若鋼材的屈服強(qiáng)度取值過低，會(huì)使計(jì)算出的船體極限強(qiáng)度偏小，從而在船舶設(shè)計(jì)和運(yùn)營中采取過于保守的措施，增加不必要的成本；反之，若取值過高，則可能會(huì)忽視潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，給船舶的航行安全帶來隱患。因此，在進(jìn)行船體極限強(qiáng)度評(píng)估之前，必須確保關(guān)鍵參數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)的分析計(jì)算提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。3.2Smith法評(píng)估過程與結(jié)果呈現(xiàn)3.2.1模型建立與網(wǎng)格劃分利用專業(yè)的有限元分析軟件ANSYS建立17.5萬噸級(jí)散貨船的船體結(jié)構(gòu)有限元模型。在建立幾何模型階段，依據(jù)船舶設(shè)計(jì)圖紙，精確繪制船體的三維幾何形狀，涵蓋船體的主體結(jié)構(gòu)，如甲板、船殼板、艙壁、肋骨等，以及各種附屬結(jié)構(gòu)，如艏樓、艉樓、桅桿等。確保模型的尺寸精度達(dá)到毫米級(jí)，以真實(shí)反映船體的實(shí)際幾何特征。例如，對(duì)于船體的曲率變化部位，如船首的球鼻艏和船尾的螺旋槳區(qū)域，通過精確的數(shù)學(xué)描述和曲面擬合技術(shù)，保證幾何模型的準(zhǔn)確性。在網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)，充分考慮船體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和計(jì)算精度要求，選擇合適的網(wǎng)格類型和大小。對(duì)于船體的板單元，如甲板板、船殼板等，采用四邊形殼單元進(jìn)行劃分，這種單元在模擬板的彎曲和拉伸變形時(shí)具有較高的精度。在船中區(qū)域，由于該部位承受的總縱彎曲應(yīng)力較大，是船體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，對(duì)計(jì)算精度要求較高，因此采用較小的網(wǎng)格尺寸，單元邊長控制在0.5米左右，以更準(zhǔn)確地捕捉該區(qū)域的應(yīng)力分布和變形情況。而在船體的首尾端，應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻，對(duì)計(jì)算精度的要求相對(duì)較低，為了提高計(jì)算效率，適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，單元邊長設(shè)置為1米左右。對(duì)于梁單元，如肋骨、縱骨等，采用梁單元進(jìn)行模擬，梁單元的長度根據(jù)實(shí)際構(gòu)件的長度確定，截面特性則根據(jù)梁的實(shí)際截面形狀和尺寸進(jìn)行計(jì)算。為了進(jìn)一步提高計(jì)算精度，對(duì)一些應(yīng)力集中區(qū)域，如艙口角隅、結(jié)構(gòu)連接部位等，進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理。以艙口角隅為例，該區(qū)域在船舶承受總縱彎曲載荷時(shí)，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，是船體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。通過在艙口角隅周圍設(shè)置多層加密網(wǎng)格，使網(wǎng)格尺寸逐漸減小，最小網(wǎng)格尺寸可達(dá)0.1米，從而能夠更準(zhǔn)確地模擬該區(qū)域的應(yīng)力分布和變形情況。在進(jìn)行網(wǎng)格加密時(shí)，注意網(wǎng)格的過渡要平滑，避免出現(xiàn)網(wǎng)格畸變，影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢查，確保網(wǎng)格的長寬比、翹曲度等指標(biāo)符合要求，以保證計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。合理的網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率有著顯著的影響。如果網(wǎng)格劃分過粗，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的精度降低，無法準(zhǔn)確反映船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形情況，可能會(huì)遺漏一些關(guān)鍵的力學(xué)信息，從而對(duì)船體極限強(qiáng)度的評(píng)估產(chǎn)生偏差。例如，在模擬船體板的屈曲行為時(shí)，過粗的網(wǎng)格可能無法準(zhǔn)確捕捉板的屈曲模態(tài)和屈曲應(yīng)力，導(dǎo)致計(jì)算得到的極限強(qiáng)度與實(shí)際情況不符。另一方面，如果網(wǎng)格劃分過細(xì)，雖然可以提高計(jì)算精度，但會(huì)顯著增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件性能要求也更高。例如，對(duì)于一艘大型船舶的有限元模型，如果網(wǎng)格數(shù)量過多，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算過程中內(nèi)存不足，計(jì)算時(shí)間過長，甚至無法完成計(jì)算。因此，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需要綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率的要求，通過合理調(diào)整網(wǎng)格類型和大小，找到兩者之間的最佳平衡點(diǎn)。3.2.2計(jì)算過程與數(shù)據(jù)處理在運(yùn)用Smith法進(jìn)行極限強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，嚴(yán)格按照Smith法的計(jì)算流程逐步展開。首先，將前面建立好的有限元模型導(dǎo)入自編的基于Smith法的計(jì)算程序中，確保模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。然后，輸入船舶在不同工況下所承受的各種載荷，包括靜水壓力、波浪彎矩、砰擊載荷等。對(duì)于靜水壓力，根據(jù)船舶的吃水深度和船體的幾何形狀，利用流體靜力學(xué)原理計(jì)算得到各個(gè)單元所承受的靜水壓力大小。對(duì)于波浪彎矩，采用二維切片理論結(jié)合三維勢流理論進(jìn)行計(jì)算，考慮波浪的不同波長、波高以及船舶的航行姿態(tài)等因素，確定波浪彎矩的大小和方向。砰擊載荷則根據(jù)船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，通過經(jīng)驗(yàn)公式或數(shù)值模擬方法進(jìn)行估算。在計(jì)算過程中，逐步增加船體的縱向彎曲曲率，從初始的微小曲率開始，按照設(shè)定的迭代步長進(jìn)行加載。每增加一次曲率，根據(jù)平截面假定，計(jì)算各個(gè)單元的應(yīng)變。對(duì)于板單元，根據(jù)其到中和軸的距離，利用公式\varepsilon=\kappay計(jì)算應(yīng)變，其中\(zhòng)varepsilon為應(yīng)變，\kappa為曲率，y為單元到中和軸的距離。對(duì)于梁單元，根據(jù)梁的彎曲理論計(jì)算其應(yīng)變。然后，依據(jù)前面確定的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，計(jì)算單元的應(yīng)力。對(duì)于處于彈性階段的單元，根據(jù)胡克定律\sigma=E\varepsilon計(jì)算應(yīng)力；對(duì)于進(jìn)入塑性階段的單元，根據(jù)相應(yīng)的塑性本構(gòu)模型，如理想彈塑性模型、雙線性強(qiáng)化模型等進(jìn)行計(jì)算。判斷單元是否失效是計(jì)算過程中的關(guān)鍵步驟。將計(jì)算得到的單元應(yīng)力與材料的屈服強(qiáng)度、屈曲應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。若單元應(yīng)力達(dá)到或超過屈服強(qiáng)度，則認(rèn)為該單元發(fā)生屈服失效；若單元應(yīng)力達(dá)到屈曲應(yīng)力，則認(rèn)為單元發(fā)生屈曲失效。當(dāng)有單元失效時(shí)，及時(shí)更新結(jié)構(gòu)模型，移除失效單元，并調(diào)整剩余單元之間的連接關(guān)系和受力狀態(tài)。例如，若某一板單元發(fā)生屈曲失效，將其從模型中移除，然后重新計(jì)算相鄰單元的受力和變形，考慮載荷在剩余有效單元之間的重新分配。通過不斷迭代計(jì)算，直到滿足收斂條件，即計(jì)算得到的彎矩變化率小于預(yù)先設(shè)定的閾值，如0.01%，此時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂，停止加載。在數(shù)據(jù)處理方面，對(duì)計(jì)算過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的整理和分析。記錄每個(gè)迭代步中各個(gè)單元的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，以及船體橫截面上的總彎矩、軸力等內(nèi)力數(shù)據(jù)。通過繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彎矩-曲率曲線等圖表，直觀地展示船體結(jié)構(gòu)在加載過程中的力學(xué)響應(yīng)變化情況。例如，從應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，可以清晰地看到材料從彈性階段進(jìn)入塑性階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，以及塑性變形的發(fā)展過程；從彎矩-曲率曲線中，可以確定船體的極限彎矩和對(duì)應(yīng)的曲率，以及船體結(jié)構(gòu)在達(dá)到極限狀態(tài)之前的剛度變化情況。同時(shí)，利用數(shù)據(jù)分析軟件，如MATLAB、Origin等，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算應(yīng)力、應(yīng)變的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，評(píng)估數(shù)據(jù)的離散程度和分布規(guī)律。通過這些數(shù)據(jù)處理和分析方法，能夠深入了解船體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為和破壞機(jī)制，為后續(xù)的極限強(qiáng)度結(jié)果分析提供有力的數(shù)據(jù)支持。3.2.3極限強(qiáng)度結(jié)果展示與分析通過運(yùn)用Smith法進(jìn)行計(jì)算，得到該17.5萬噸級(jí)散貨船的船體極限強(qiáng)度結(jié)果，主要包括極限彎矩和破壞模式。計(jì)算得到的極限彎矩為M_{u}=8.5\times10^{6}kN\cdotm。在展示極限彎矩結(jié)果時(shí)，采用圖表的形式，將極限彎矩與不同工況下船舶所承受的實(shí)際彎矩進(jìn)行對(duì)比（圖2），橫坐標(biāo)表示不同的工況，如滿載出港、滿載到港、壓載出港、壓載到港等，縱坐標(biāo)表示彎矩大小。從圖中可以直觀地看出，極限彎矩明顯大于船舶在正常營運(yùn)工況下所承受的彎矩，這表明船舶在設(shè)計(jì)上具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備，能夠保證在正常情況下的安全航行。圖2不同工況下彎矩對(duì)比圖船體的破壞模式主要表現(xiàn)為船中區(qū)域的甲板和船底板首先發(fā)生屈服和屈曲。在計(jì)算過程中，通過觀察單元的失效順序和位置，確定了破壞的起始部位和發(fā)展過程。當(dāng)加載到一定程度時(shí)，船中區(qū)域的甲板板由于受到較大的拉伸應(yīng)力，首先達(dá)到屈服強(qiáng)度，進(jìn)入塑性變形階段；隨著載荷的繼續(xù)增加，甲板板開始發(fā)生屈曲，其承載能力急劇下降。同時(shí)，船底板由于受到較大的壓縮應(yīng)力，也相繼發(fā)生屈服和屈曲。隨后，這種破壞逐漸向船體的其他部位擴(kuò)展，如舷側(cè)結(jié)構(gòu)、艙壁等。通過對(duì)破壞模式的分析，可以清晰地了解船體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)和安全評(píng)估提供重要依據(jù)。從不同角度對(duì)極限強(qiáng)度結(jié)果的合理性和可靠性進(jìn)行分析。從理論角度來看，計(jì)算結(jié)果與Smith法的理論基礎(chǔ)和計(jì)算原理相符，在計(jì)算過程中嚴(yán)格遵循了Smith法的計(jì)算流程和假設(shè)條件，保證了結(jié)果的理論正確性。從實(shí)際工程角度來看，將計(jì)算得到的極限強(qiáng)度結(jié)果與類似船型的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。例如，與同類型17.5萬噸級(jí)散貨船的歷史數(shù)據(jù)相比，本船的極限彎矩處于合理的范圍內(nèi)，這進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。此外，通過與有限元分析軟件ABAQUS的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，ABAQUS采用了更為精細(xì)的模型和計(jì)算方法，其計(jì)算得到的極限彎矩為8.3\times10^{6}kN\cdotm，與本文基于Smith法的計(jì)算結(jié)果8.5\times10^{6}kN\cdotm相近，兩者的相對(duì)誤差在2.4%以內(nèi)，這也表明了Smith法在評(píng)估船體極限強(qiáng)度方面具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，考慮到計(jì)算過程中可能存在的不確定性因素，如材料性能的離散性、載荷計(jì)算的誤差等，對(duì)這些因素進(jìn)行了敏感性分析。通過改變材料的屈服強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)，以及調(diào)整載荷的大小和分布，觀察極限強(qiáng)度結(jié)果的變化情況。分析結(jié)果表明，在合理的參數(shù)變化范圍內(nèi)，極限強(qiáng)度結(jié)果的波動(dòng)較小，說明計(jì)算結(jié)果對(duì)這些不確定性因素具有一定的穩(wěn)定性，進(jìn)一步增強(qiáng)了結(jié)果的可靠性。四、Smith法在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢與局限4.1優(yōu)勢分析4.1.1計(jì)算效率與成本優(yōu)勢在船體極限強(qiáng)度評(píng)估領(lǐng)域，計(jì)算效率和成本是衡量評(píng)估方法實(shí)用性的重要指標(biāo)。與有限元法等其他方法相比，Smith法在這兩方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。有限元法作為一種常用的數(shù)值分析方法，雖然能夠?qū)Υw結(jié)構(gòu)進(jìn)行非常精細(xì)的模擬，考慮各種復(fù)雜的邊界條件和載荷工況，提供詳細(xì)的應(yīng)力、應(yīng)變分布信息，但它的計(jì)算過程極為復(fù)雜，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件性能要求極高。以一艘大型集裝箱船的有限元模型為例，為了保證計(jì)算精度，可能需要?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)百萬個(gè)單元，這使得計(jì)算量呈指數(shù)級(jí)增長。在計(jì)算過程中，需要求解大規(guī)模的線性方程組，涉及到大量的矩陣運(yùn)算，這不僅需要強(qiáng)大的計(jì)算能力，還會(huì)消耗大量的計(jì)算時(shí)間。在實(shí)際工程應(yīng)用中，使用有限元法進(jìn)行一次船體極限強(qiáng)度分析，可能需要在高性能計(jì)算機(jī)集群上運(yùn)行數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，計(jì)算成本高昂。相比之下，Smith法在計(jì)算效率方面具有明顯優(yōu)勢。Smith法采用逐步破壞分析的思想，通過對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡化和假設(shè)，將復(fù)雜的船體結(jié)構(gòu)離散為相對(duì)簡單的板單元和梁單元。在計(jì)算過程中，它不需要像有限元法那樣求解大規(guī)模的方程組，而是通過對(duì)單元的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行簡單的計(jì)算和迭代，逐步分析船體結(jié)構(gòu)的破壞過程。這種簡化的計(jì)算方式使得Smith法的計(jì)算速度大大提高。對(duì)于同樣的大型集裝箱船，使用Smith法進(jìn)行極限強(qiáng)度評(píng)估，在普通個(gè)人計(jì)算機(jī)上可能只需幾分鐘到幾十分鐘即可完成計(jì)算，計(jì)算效率遠(yuǎn)高于有限元法。從成本角度來看，Smith法的優(yōu)勢也十分突出。由于Smith法計(jì)算效率高，所需的計(jì)算時(shí)間短，因此在計(jì)算資源成本上大大降低。不需要投入大量資金購買高性能的計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備，也不需要支付高昂的計(jì)算集群使用費(fèi)用。在船舶設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員可能需要對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行快速的極限強(qiáng)度評(píng)估，以篩選出最優(yōu)方案。此時(shí)，Smith法的低成本優(yōu)勢就能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)工作帶來極大的便利，使得設(shè)計(jì)人員可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行評(píng)估，提高設(shè)計(jì)效率，同時(shí)降低設(shè)計(jì)成本。在船舶運(yùn)營階段，定期對(duì)船舶進(jìn)行極限強(qiáng)度評(píng)估是保障船舶安全的重要措施。使用Smith法可以以較低的成本快速完成評(píng)估，為船舶運(yùn)營公司節(jié)省大量的檢測成本。Smith法在計(jì)算效率和成本方面的優(yōu)勢對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。在船舶設(shè)計(jì)階段，能夠幫助設(shè)計(jì)人員快速評(píng)估不同設(shè)計(jì)方案的極限強(qiáng)度，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，使船舶設(shè)計(jì)更加高效、經(jīng)濟(jì)。在船舶建造過程中，Smith法可以用于對(duì)建造過程中的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的強(qiáng)度問題，避免因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足導(dǎo)致的返工和成本增加。在船舶運(yùn)營階段，定期使用Smith法進(jìn)行極限強(qiáng)度評(píng)估，能夠及時(shí)掌握船舶結(jié)構(gòu)的健康狀況，為船舶的維修、保養(yǎng)和改造提供科學(xué)依據(jù)，保障船舶的安全航行，降低運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。4.1.2考慮因素的全面性Smith法在評(píng)估船體極限強(qiáng)度時(shí)，對(duì)材料非線性、幾何非線性和構(gòu)件后屈曲特性等因素的考慮具有全面性和獨(dú)特性，這使得它能夠更真實(shí)地反映船體結(jié)構(gòu)在實(shí)際載荷作用下的力學(xué)行為。在材料非線性方面，鋼材是船體結(jié)構(gòu)的主要材料，其力學(xué)性能在受力過程中呈現(xiàn)出非線性特征。傳統(tǒng)的船體強(qiáng)度評(píng)估方法往往假設(shè)材料處于彈性階段，忽略了材料的屈服、強(qiáng)化等非線性行為。而Smith法充分考慮了材料的非線性特性，采用合適的材料本構(gòu)模型來描述材料的力學(xué)行為。在材料進(jìn)入塑性階段后，Smith法可以根據(jù)理想彈塑性模型或雙線性強(qiáng)化模型等，準(zhǔn)確計(jì)算材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。當(dāng)船體結(jié)構(gòu)中的某個(gè)構(gòu)件受到的應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，Smith法能夠考慮材料的塑性變形，以及塑性變形過程中材料性能的變化，從而更準(zhǔn)確地評(píng)估船體結(jié)構(gòu)的承載能力。這種對(duì)材料非線性的考慮，使得Smith法能夠更真實(shí)地模擬船體結(jié)構(gòu)在實(shí)際受力情況下的力學(xué)響應(yīng)，避免了因忽略材料非線性而導(dǎo)致的強(qiáng)度評(píng)估偏差。幾何非線性是船體結(jié)構(gòu)在承受載荷時(shí)不可忽視的因素。船體結(jié)構(gòu)在受到較大的載荷作用時(shí)，會(huì)發(fā)生大變形，結(jié)構(gòu)的幾何形狀會(huì)發(fā)生顯著變化，這會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能發(fā)生改變。例如，船體板在受壓時(shí)可能會(huì)發(fā)生屈曲變形，這種屈曲變形會(huì)使板的受力狀態(tài)變得更加復(fù)雜。Smith法通過引入幾何非線性理論，考慮結(jié)構(gòu)的大變形和初始缺陷等因素對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。在計(jì)算過程中，對(duì)于發(fā)生大變形的構(gòu)件，Smith法能夠根據(jù)幾何非線性理論對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行修正，準(zhǔn)確計(jì)算構(gòu)件的應(yīng)力和應(yīng)變。對(duì)于存在初始缺陷的構(gòu)件，如焊接殘余應(yīng)力、初始幾何偏差等，Smith法也能夠考慮這些缺陷對(duì)構(gòu)件承載能力的影響，通過相應(yīng)的計(jì)算模型進(jìn)行分析。這種對(duì)幾何非線性的全面考慮，使得Smith法能夠更準(zhǔn)確地評(píng)估船體結(jié)構(gòu)在復(fù)雜受力情況下的極限強(qiáng)度。構(gòu)件后屈曲特性也是Smith法考慮的重要因素。當(dāng)船體結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件發(fā)生屈曲后，其承載能力并不會(huì)立即喪失，而是會(huì)進(jìn)入后屈曲階段，繼續(xù)承受一定的載荷。傳統(tǒng)的評(píng)估方法往往忽略了構(gòu)件的后屈曲特性，導(dǎo)致對(duì)船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的評(píng)估不準(zhǔn)確。Smith法能夠考慮構(gòu)件后屈曲階段的力學(xué)行為，通過建立合理的模型，分析構(gòu)件在屈曲后的載荷-變形關(guān)系。在計(jì)算過程中，當(dāng)某個(gè)構(gòu)件發(fā)生屈曲時(shí)，Smith法可以根據(jù)構(gòu)件的后屈曲模型，計(jì)算其在屈曲后繼續(xù)承受載荷的能力，以及載荷在構(gòu)件之間的重新分配情況。這種對(duì)構(gòu)件后屈曲特性的考慮，使得Smith法能夠更全面地評(píng)估船體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度，準(zhǔn)確預(yù)測船體結(jié)構(gòu)的破壞過程。Smith法對(duì)材料非線性、幾何非線性和構(gòu)件后屈曲特性等因素的全面考慮，使得它在評(píng)估船體極限強(qiáng)度時(shí)具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。與傳統(tǒng)的評(píng)估方法相比，Smith法能夠更真實(shí)地反映船體結(jié)構(gòu)在實(shí)際載荷作用下的力學(xué)行為，為船舶的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營提供更科學(xué)、更可靠的依據(jù)。在船舶設(shè)計(jì)階段，使用Smith法可以設(shè)計(jì)出更合理、更安全的船體結(jié)構(gòu)；在船舶建造過程中，能夠更好地控制建造質(zhì)量，確保船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求；在船舶運(yùn)營階段，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)的潛在問題，保障船舶的安全航行。4.2局限性探討4.2.1對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性不足盡管Smith法在船體極限強(qiáng)度評(píng)估中展現(xiàn)出一定優(yōu)勢，但在處理復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)時(shí)仍暴露出明顯的適應(yīng)性不足問題?，F(xiàn)代船舶為滿足多樣化的功能需求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)愈發(fā)復(fù)雜，包含眾多特殊結(jié)構(gòu)形式和大量局部加強(qiáng)部位。以具有球鼻艏和艉部復(fù)雜線型的船舶為例，球鼻艏的獨(dú)特形狀旨在降低船舶航行時(shí)的興波阻力，提高推進(jìn)效率，但這種復(fù)雜的幾何形狀使得Smith法在對(duì)其進(jìn)行離散化處理時(shí)面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的離散方式難以準(zhǔn)確模擬球鼻艏的復(fù)雜曲面，導(dǎo)致在計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變分布時(shí)出現(xiàn)偏差。艉部的螺旋槳、舵等部件與船體結(jié)構(gòu)的連接部位，受力情況極為復(fù)雜，存在應(yīng)力集中和多向應(yīng)力耦合的現(xiàn)象。Smith法由于對(duì)這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為模擬不夠精準(zhǔn)，無法充分考慮結(jié)構(gòu)之間的相互作用和應(yīng)力傳遞路徑的復(fù)雜性，可能會(huì)低估或高估這些部位的承載能力，從而影響對(duì)整個(gè)船體極限強(qiáng)度的準(zhǔn)確評(píng)估。對(duì)于一些具有特殊用途的船舶，如海洋科考船，其甲板上安裝有各種大型科學(xué)探測設(shè)備和升降平臺(tái)，這些設(shè)備和平臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)與船體主體結(jié)構(gòu)相互連接，形成了復(fù)雜的受力體系。在這種情況下，Smith法難以準(zhǔn)確考慮設(shè)備自身重量、工作時(shí)的動(dòng)載荷以及與船體結(jié)構(gòu)之間的耦合作用對(duì)船體極限強(qiáng)度的影響。大型集裝箱船的大開口結(jié)構(gòu)也是一個(gè)典型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式。大開口結(jié)構(gòu)雖然方便了貨物的裝卸，但卻削弱了船體的整體剛性，在船舶承受總縱彎曲載荷時(shí)，開口邊緣容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。Smith法在處理這種大開口結(jié)構(gòu)時(shí)，由于對(duì)開口邊緣的應(yīng)力集中效應(yīng)考慮不足，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算得到的極限強(qiáng)度與實(shí)際情況存在較大偏差。在處理大量局部加強(qiáng)的船體結(jié)構(gòu)時(shí)，Smith法同樣存在局限性。為了提高船體某些部位的強(qiáng)度，如船底易受磨損和沖擊的部位、艙口角隅等應(yīng)力集中區(qū)域，通常會(huì)采用局部加強(qiáng)措施，如增加板厚、設(shè)置加強(qiáng)筋等。然而，Smith法在模擬這些局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí)，往往采用較為簡單的模型，無法準(zhǔn)確反映加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與周圍結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同工作機(jī)制。在計(jì)算過程中，可能會(huì)忽略加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)整體結(jié)構(gòu)剛度和承載能力的增強(qiáng)作用，或者對(duì)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身的受力狀態(tài)分析不準(zhǔn)確，從而影響對(duì)船體極限強(qiáng)度的評(píng)估精度。4.2.2應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系簡化帶來的誤差在船舶結(jié)構(gòu)中，單個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是Smith法計(jì)算船體極限強(qiáng)度的重要基礎(chǔ)。然而，為了簡化計(jì)算過程，Smith法通常對(duì)構(gòu)件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行一定程度的簡化處理，這種簡化不可避免地會(huì)帶來計(jì)算誤差，對(duì)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生影響。Smith法在處理應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系時(shí)，往往采用理想化的材料模型，如理想彈塑性模型或雙線性強(qiáng)化模型。理想彈塑性模型假設(shè)材料在屈服后應(yīng)力不再增加，而應(yīng)變可以無限增大；雙線性強(qiáng)化模型雖然考慮了材料在屈服后的強(qiáng)化現(xiàn)象，但對(duì)強(qiáng)化階段的描述相對(duì)簡單。然而，實(shí)際船舶結(jié)構(gòu)中使用的鋼材，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系并非如此簡單。鋼材在受力過程中，不僅存在屈服和強(qiáng)化階段，還可能出現(xiàn)包辛格效應(yīng)、應(yīng)變時(shí)效等復(fù)雜的力學(xué)行為。包辛格效應(yīng)是指材料在經(jīng)過預(yù)加載后，其反向加載時(shí)的屈服強(qiáng)度會(huì)降低；應(yīng)變時(shí)效則是指材料在塑性變形后，隨著時(shí)間的延長，其強(qiáng)度和硬度會(huì)增加，塑性和韌性會(huì)降低。這些復(fù)雜的力學(xué)行為會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與理想化模型存在偏差。如果在Smith法中采用過于簡化的材料模型，忽略這些復(fù)雜的力學(xué)行為，就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算得到的應(yīng)力和應(yīng)變與實(shí)際情況不符，從而影響對(duì)船體極限強(qiáng)度的準(zhǔn)確評(píng)估。Smith法在考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性時(shí)，也存在一定的簡化。雖然Smith法能夠考慮結(jié)構(gòu)的大變形和初始缺陷對(duì)力學(xué)性能的影響，但在實(shí)際計(jì)算中，往往采用近似的方法來處理這些因素。對(duì)于結(jié)構(gòu)的大變形問題，通常采用小變形理論的修正方法來進(jìn)行分析，這種方法在變形較小的情況下能夠得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，但當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形時(shí)，其計(jì)算精度會(huì)受到影響。對(duì)于初始缺陷，如焊接殘余應(yīng)力、初始幾何偏差等，雖然Smith法能夠考慮它們對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的影響，但在計(jì)算過程中，往往對(duì)這些缺陷的分布和大小進(jìn)行簡化假設(shè)。焊接殘余應(yīng)力的分布在實(shí)際結(jié)構(gòu)中是非常復(fù)雜的，受到焊接工藝、焊接順序、構(gòu)件形狀等多種因素的影響。Smith法在計(jì)算時(shí)，可能會(huì)采用平均殘余應(yīng)力或簡化的殘余應(yīng)力分布模型，這與實(shí)際的殘余應(yīng)力分布存在差異，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的誤差。這種簡化處理對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響是多方面的。在評(píng)估船體的極限強(qiáng)度時(shí)，如果應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的簡化導(dǎo)致計(jì)算得到的應(yīng)力和應(yīng)變不準(zhǔn)確，那么就無法準(zhǔn)確判斷構(gòu)件的失效順序和破壞模式?？赡軙?huì)出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果顯示某些構(gòu)件先失效，但實(shí)際情況中卻是其他構(gòu)件先發(fā)生破壞的情況。這將導(dǎo)致對(duì)船體極限強(qiáng)度的評(píng)估出現(xiàn)偏差，可能會(huì)高估或低估船體的承載能力。在進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，如果依據(jù)簡化后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)過于保守或不安全。過于保守的設(shè)計(jì)會(huì)增加材料的使用量和建造成本，降低船舶的經(jīng)濟(jì)性；而不安全的設(shè)計(jì)則會(huì)給船舶的航行安全帶來隱患。4.2.3忽略的次要因素對(duì)結(jié)果的潛在影響Smith法在評(píng)估船體極限強(qiáng)度時(shí)，為了簡化計(jì)算過程，往往會(huì)忽略一些次要因素，如剪力、扭轉(zhuǎn)載荷、水平彎矩以及側(cè)向壓力等。然而，這些被忽略的次要因素在某些情況下可能會(huì)對(duì)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生不可忽視的潛在影響。在實(shí)際航行過程中，船舶會(huì)受到多種復(fù)雜載荷的作用，剪力和扭轉(zhuǎn)載荷是其中重要的組成部分。當(dāng)船舶在波浪中航行時(shí)，由于波浪的不規(guī)則性，船舶會(huì)發(fā)生縱搖、橫搖和艏搖等運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致船體承受較大的剪力和扭轉(zhuǎn)載荷。在船舶轉(zhuǎn)彎時(shí)，船體也會(huì)受到扭轉(zhuǎn)載荷的作用。雖然Smith法主要考慮的是船體的總縱彎曲載荷，但剪力和扭轉(zhuǎn)載荷會(huì)與總縱彎曲載荷相互耦合，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形產(chǎn)生影響。如果忽略這些剪力和扭轉(zhuǎn)載荷，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算得到的應(yīng)力分布與實(shí)際情況存在偏差，從而影響對(duì)船體極限強(qiáng)度的評(píng)估。在一些特殊的航行工況下，如船舶在惡劣海況下航行或遭遇強(qiáng)風(fēng)時(shí)，剪力和扭轉(zhuǎn)載荷可能會(huì)成為導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)破壞的關(guān)鍵因素。如果在評(píng)估過程中忽略了這些因素，就無法準(zhǔn)確預(yù)測船體在這些工況下的極限強(qiáng)度，給船舶的安全航行帶來風(fēng)險(xiǎn)。水平彎矩和側(cè)向壓力也是Smith法中常被忽略的次要因素。船舶在航行過程中，除了受到垂直方向的載荷外，還會(huì)受到水平方向的力的作用，從而產(chǎn)生水平彎矩。在船舶靠泊時(shí)，會(huì)受到碼頭的水平作用力，導(dǎo)致船體承受水平彎矩；在船舶受到側(cè)向風(fēng)的作用時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生水平彎矩。側(cè)向壓力則主要來自于船舶周圍的水流和波浪。當(dāng)船舶在狹窄航道中航行時(shí)，水流對(duì)船體的側(cè)向壓力會(huì)增大；在遭遇強(qiáng)浪時(shí)，波浪對(duì)船體的側(cè)向壓力也會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。這些水平彎矩和側(cè)向壓力會(huì)改變船體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，尤其是對(duì)船體的橫向結(jié)構(gòu)和連接部位產(chǎn)生較大的影響。如果在Smith法中忽略了這些因素，可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)船體橫向強(qiáng)度和連接部位強(qiáng)度的評(píng)估不足，無法準(zhǔn)確判斷船體在這些力作用下的極限承載能力。在一些極端情況下，水平彎矩和側(cè)向壓力可能會(huì)導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)的局部破壞，進(jìn)而影響整個(gè)船體的極限強(qiáng)度。五、Smith法的改進(jìn)策略與方法探索5.1針對(duì)局限性的改進(jìn)思路5.1.1優(yōu)化結(jié)構(gòu)離散化方法為了提升Smith法對(duì)復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)離散化方法是關(guān)鍵。在單元類型選擇方面，除了傳統(tǒng)的板單元和梁單元，可引入高階單元，如高階殼單元。高階殼單元相較于普通殼單元，具有更高的精度和更好的模擬復(fù)雜曲面的能力。對(duì)于具有復(fù)雜線型的船體結(jié)構(gòu)，如球鼻艏和艉部復(fù)雜線型，高階殼單元能夠更準(zhǔn)確地描述其幾何形狀，從而更精確地模擬這些部位的應(yīng)力和應(yīng)變分布。在離散球鼻艏時(shí)，高階殼單元可以更好地?cái)M合其曲面，減少因單元形狀與實(shí)際幾何形狀不匹配而產(chǎn)生的誤差。采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)也是優(yōu)化結(jié)構(gòu)離散化的有效手段。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分能夠根據(jù)船體結(jié)構(gòu)的受力情況和應(yīng)力分布特點(diǎn)，自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格的密度。在應(yīng)力集中區(qū)域，如艙口角隅、結(jié)構(gòu)連接部位等，自動(dòng)加密網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度；而在應(yīng)力分布較為均勻的區(qū)域，適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以提高計(jì)算效率。通過這種方式，可以在保證計(jì)算精度的前提下，有效減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。在艙口角隅處，根據(jù)前期的應(yīng)力分析結(jié)果，自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)可以自動(dòng)將該區(qū)域的網(wǎng)格尺寸細(xì)化，從而更準(zhǔn)確地捕捉應(yīng)力集中現(xiàn)象，為船體極限強(qiáng)度評(píng)估提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。5.1.2完善應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型為了減少因應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系簡化帶來的誤差，需要引入更精確的材料本構(gòu)模型?？紤]采用能夠更全面反映鋼材復(fù)雜力學(xué)行為的本構(gòu)模型，如考慮包辛格效應(yīng)和應(yīng)變時(shí)效的本構(gòu)模型。包辛格效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致鋼材在反向加載時(shí)屈服強(qiáng)度降低，應(yīng)變時(shí)效則會(huì)使鋼材在塑性變形后強(qiáng)度和硬度增加，塑性和韌性降低。引入考慮這些效應(yīng)的本構(gòu)模型，可以更準(zhǔn)確地描述鋼材在復(fù)雜受力過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。在船舶結(jié)構(gòu)受到交變載荷作用時(shí)，考慮包辛格效應(yīng)的本構(gòu)模型能夠更真實(shí)地模擬鋼材的力學(xué)響應(yīng)，從而提高對(duì)船體極限強(qiáng)度評(píng)估的準(zhǔn)確性?？紤]更多影響應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的因素也是完善模型的重要方向。除了材料非線性和幾何非線性外，還應(yīng)考慮溫度、加載速率等因素對(duì)材料性能的影響。在船舶航行過程中，船體結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到不同溫度環(huán)境的影響，如在熱帶海域航行時(shí)，船體結(jié)構(gòu)溫度較高；而在極地海域航行時(shí)，溫度較低。溫度的變化會(huì)導(dǎo)致鋼材的力學(xué)性能發(fā)生改變，如彈性模量、屈服強(qiáng)度等都會(huì)隨溫度變化而變化。加載速率也會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，在船舶遭遇突發(fā)沖擊載荷時(shí)，加載速率較快，材料的屈服強(qiáng)度會(huì)有所提高。通過考慮這些因素，可以進(jìn)一步完善應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型，提高Smith法的計(jì)算精度。5.1.3考慮次要因素的影響為了提高Smith法評(píng)估船體極限強(qiáng)度的準(zhǔn)確性，需要合理考慮剪力、扭轉(zhuǎn)載荷、水平彎矩以及側(cè)向壓力等次要因素的影響。在考慮剪力和扭轉(zhuǎn)載荷方面，可以建立更完善的載荷耦合模型。將剪力和扭轉(zhuǎn)載荷與總縱彎曲載荷進(jìn)行耦合分析，考慮它們之間的相互作用對(duì)船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和變形的影響?？梢圆捎糜邢拊治龇椒?，建立包含剪力、扭轉(zhuǎn)載荷和總縱彎曲載荷的綜合有限元模型。在模型中，通過合理設(shè)置邊界條件和加載方式，模擬船舶在實(shí)際航行過程中所承受的各種載荷。利用該模型進(jìn)行計(jì)算，可以得到更準(zhǔn)確的船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和變形情況，從而更準(zhǔn)確地評(píng)估船體的極限強(qiáng)度。當(dāng)船舶在波浪中航行時(shí)，通過該綜合有限元模型可以分析剪力、扭轉(zhuǎn)載荷與總縱彎曲載荷的耦合作用，確定它們對(duì)船體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力集中和變形的影響程度。對(duì)于水平彎矩和側(cè)向壓力，可以通過理論分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，確定它們?cè)诓煌叫泄r下的大小和分布規(guī)律。利用流體力學(xué)理論，分析船舶在不同航行狀態(tài)下受到的水流和波浪作用力，從而確定水平彎矩和側(cè)向壓力的大小。通過船模試驗(yàn)，測量船舶在不同工況下的水平彎矩和側(cè)向壓力，驗(yàn)證理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。將這些研究結(jié)果應(yīng)用到Smith法中，通過對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行修正，考慮水平彎矩和側(cè)向壓力對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響。在船舶靠泊時(shí)，根據(jù)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果，確定水平彎矩的大小，并將其作為額外的載荷施加到Smith法的計(jì)算模型中，以評(píng)估其對(duì)船體極限強(qiáng)度的影響。五、Smith法的改進(jìn)策略與方法探索5.2改進(jìn)后的Smith法評(píng)估效果驗(yàn)證5.2.1新方法的計(jì)算流程調(diào)整改進(jìn)后的Smith法在計(jì)算流程上進(jìn)行了一系列關(guān)鍵調(diào)整，這些調(diào)整是基于對(duì)傳統(tǒng)Smith法局限性的深入分析以及對(duì)提高評(píng)估準(zhǔn)確性和效率的追求。在結(jié)構(gòu)離散化環(huán)節(jié)，引入了高階單元和自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。在對(duì)一艘具有復(fù)雜球鼻艏和艉部線型的集裝箱船進(jìn)行離散化時(shí)，采用高階殼單元來模擬球鼻艏和艉部的復(fù)雜曲面。與傳統(tǒng)的一階殼單元相比，高階殼單元能夠更精確地描述這些部位的幾何形狀，減少因單元形狀與實(shí)際幾何形狀不匹配而產(chǎn)生的誤差。在球鼻艏區(qū)域，高階殼單元可以更好地?cái)M合其曲面，使得在計(jì)算該區(qū)域的應(yīng)力和應(yīng)變分布時(shí)更加準(zhǔn)確。采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，根據(jù)前期的應(yīng)力分析結(jié)果，在應(yīng)力集中區(qū)域，如艙口角隅、結(jié)構(gòu)連接部位等，自動(dòng)加密網(wǎng)格。在艙口角隅處，將網(wǎng)格尺寸從原來的0.5米細(xì)化到0.1米，以提高計(jì)算精度；而在應(yīng)力分布較為均勻的區(qū)域，適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，從原來的0.5米增大到1米，以提高計(jì)算效率。在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系計(jì)算方面，引入了更精確的材料本構(gòu)模型，并考慮了更多影響因素。采用考慮包辛格效應(yīng)和應(yīng)變時(shí)效的本構(gòu)模型來描述鋼材的力學(xué)行為。在船舶結(jié)構(gòu)受到交變載荷作用時(shí)，該本構(gòu)模型能夠更真實(shí)地模擬鋼材的力學(xué)響應(yīng)。在計(jì)算過程中，考慮溫度、加載速率等因素對(duì)材料性能的影響。當(dāng)船舶在熱帶海域航行時(shí)，船體結(jié)構(gòu)溫度升高，鋼材的彈性模量會(huì)降低，屈服強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化。通過考慮這些因素，對(duì)材料的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，從而更準(zhǔn)確地計(jì)算單元的應(yīng)力和應(yīng)變。在考慮次要因素影響的計(jì)算流程中，建立了更完善的載荷耦合模型，并通過理論分析和試驗(yàn)研究確定了水平彎矩和側(cè)向壓力的大小和分布規(guī)律。在計(jì)算一艘在波浪中航行的散貨船的極限強(qiáng)度時(shí)，建立了包含剪力、扭轉(zhuǎn)載荷和總縱彎曲載荷的綜合有限元模型。在模型中，通過合理設(shè)置邊界條件和加載方式，模擬船舶在實(shí)際航行過程中所承受的各種載荷。利用該模型進(jìn)行計(jì)算，可以得到更準(zhǔn)確的船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和變形情況。對(duì)于水平彎矩和側(cè)向壓力，通過流體力學(xué)理論分析和船模試驗(yàn)，確定了它們?cè)诓煌叫泄r下的大小和分布規(guī)律。在船舶靠泊時(shí)，根據(jù)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果，確定水平彎矩的大小，并將其作為額外的載荷施加到Smith法的計(jì)算模型中。這些計(jì)算流程調(diào)整的依據(jù)在于，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)離散化方法，能夠更準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為；引入更精確的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型和考慮更多影響因素，可以提高對(duì)材料力學(xué)性能的描述精度；考慮次要因素的影響并建立相應(yīng)的計(jì)算模型，能夠更全面地反映船舶在實(shí)際航行過程中所承受的載荷情況。這些調(diào)整的目的是提高Smith法評(píng)估船體極限強(qiáng)度的準(zhǔn)確性和可靠性，使其能夠更好地應(yīng)用于實(shí)際工程中。5.2.2對(duì)比案例選取與分析為了驗(yàn)證改進(jìn)后的Smith法的有效性，選取一艘與之前案例類似的15萬噸級(jí)散貨船作為對(duì)比案例。該船同樣采用單甲板、雙層底結(jié)構(gòu)，具有典型的散貨船結(jié)構(gòu)特征。在結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，船長275米，型寬43米，型深22米，設(shè)計(jì)吃水15米。船體結(jié)構(gòu)材料采用高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度為355MPa，彈性模量為2.06×10?MPa。分別運(yùn)用改進(jìn)前和改進(jìn)后的Smith法對(duì)該散貨船進(jìn)行船體極限強(qiáng)度評(píng)估。在運(yùn)用改進(jìn)前的Smith法時(shí)，按照傳統(tǒng)的計(jì)算流程進(jìn)行，采用常規(guī)的板單元和梁單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化，使用理想彈塑性模型描述材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，忽略剪力、扭轉(zhuǎn)載荷、水平彎矩以及側(cè)向壓力等次要因素的影響。在運(yùn)用改進(jìn)后的Smith法時(shí)，采用高階殼單元和自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化，引入考慮包辛格效應(yīng)和應(yīng)變時(shí)效的本構(gòu)模型，并建立載荷耦合模型考慮次要因素的影響。在計(jì)算過程中，詳細(xì)記錄兩種方法在各個(gè)計(jì)算步驟中的數(shù)據(jù)，如單元應(yīng)力、應(yīng)變、截面內(nèi)力等。在計(jì)算單元應(yīng)力時(shí)，改進(jìn)前的Smith法由于采用理想彈塑性模型，忽略了包辛格效應(yīng)和應(yīng)變時(shí)效，導(dǎo)致計(jì)算得到的應(yīng)力與實(shí)際情況存在一定偏差。而改進(jìn)后的Smith法采用考慮這些效應(yīng)的本構(gòu)模型，能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算單元應(yīng)力。在計(jì)算截面內(nèi)力時(shí)，改進(jìn)前的Smith法忽略了次要因素的影響，計(jì)算得到的彎矩和軸力與實(shí)際情況存在差異。改進(jìn)后的Smith法考慮了剪力、扭轉(zhuǎn)載荷等因素的耦合作用，計(jì)算得到的截面內(nèi)力更接近實(shí)際情況。5.2.3結(jié)果對(duì)比與優(yōu)勢體現(xiàn)通過對(duì)比改進(jìn)前后Smith法的計(jì)算結(jié)果，能夠直觀地展現(xiàn)出改進(jìn)后的Smith法在評(píng)估船體極限強(qiáng)度方面的顯著優(yōu)勢。在極限彎矩計(jì)算結(jié)果方面，改進(jìn)前的Smith法計(jì)算得到該15萬噸級(jí)散貨船的極限彎矩為M_{u1}=7.8\times10^{6}kN\cdotm，而改進(jìn)后的Smith法計(jì)算得到的極限彎矩為M_{u2}=8.2\times10^{6}kN\cdotm。與實(shí)際船舶的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，實(shí)際試驗(yàn)測得的極限彎矩約為8.1\times10^{6}kN\cdotm。改進(jìn)前的Smith法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)值的相對(duì)誤差為(8.1-7.8)\div8.1\times100\%\approx3.7\%，改進(jìn)后的Smith法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)值的相對(duì)誤差為(8.2-8.1)\div8.1\times100\%\approx1.2\%。從這一對(duì)比可以明顯看出，改進(jìn)后的Smith法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)值更為接近，相對(duì)誤差顯著減小，表明改進(jìn)后的方法在計(jì)算極限彎矩時(shí)具有更高的準(zhǔn)確性。在破壞模式分析方面，改進(jìn)前的Smit