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做结构首先要懂的是载荷，即对于各种环境载荷的计算与模拟，目的是为了结构设计的输入。环境载荷包括波浪载荷，流载荷和风载荷，其中最复杂的就是波浪载荷，关于波浪载荷的教材以国防工业出版社戴仰山教授所编写的《船舶波浪载荷》为经典，关于环境载荷有一本经典书，是上海交大出版社出版的《船舶与海洋工程环境载荷》，作者是福尔特森博士，杨建民教授翻译，幸运的是我于2009年在哈尔滨举办的IWWWFB水波与浮体国际会议上见过其本人，并与其交谈几句，遗憾的是当时口语太挫了，所以只说了几句。
环境载荷确定后，下一步是结构总体响应分析，把船体看成一个工字梁在水中弯来弯去，甲板和底板看做上下两翼，纵舱壁与舷侧看成梁的腹板，这就是传说中的等值梁法，其中载荷效应有静水的确定性的，还有波浪诱导的统计性的，至求解梁的方法有经典的欧拉前辈与铁木辛柯前辈为我们铺就了一条平坦之路。总体响应分析之后，局部的子结构也要进行响应分析，确定船体模块和主要构件的载荷效应，此外，我们还需进一步确定载荷效应的极限值，这就是极限状态分析。以上的分析结果需要有一个衡准来评价其是否满足要求，这一衡准就是针对不同情形，选择的合适的结构可靠性约束表达。以上就是结构分析的一般过程，如果满足约束，证明结构可靠，如果不满足，则需对前述设计进行优化，更新尺寸，或修改梁的应力分布，直到满足要求为止。关于结构设计，有两本经典的书籍：一本是休斯博士所著的《结构理性设计》，一本是韩国釜山大学派克博士所著的《极限状态设计》，前者被华南理工张详孝教授翻译成了中文，后者只有英文版。
如果用一句话概括船体结构研究内容，我想那就是：船的运动响应预报及结构强度评估。主要包括了响应分析，强度分析与承载能力分析。响应分析是在指定载荷的大小、方式下结构做出的响应，属于一种正问题，可以借用有限元软件工具，建立模型，输入载荷、工况、边界条件，输出漂亮的云图。而承载能力分析则是一个反问题，指明在哪种载荷方式下结构能承载多大的力，超过这个范围就会失效，失效的模式主要有屈服、屈曲、疲劳，还有碰撞的撕裂与褶折等。强度分析中的强度是一种可以进行比较的能力，在指定的条件下，受到某种载荷作用，结构没有发生变形或破坏的能力。如果输入的载荷随时间变化，便进入了结构动力分析的领域，如果载荷具有周期性，则进入了结构振动与噪声分析的地盘。
一般情况下，主尺度往往不是由结构因素决定的，而是由更一般的条件如吃水、航道宽、必须的舱容或甲板面积所决定，结构设计者的重点是确定全部构件的尺寸、位置和间距，在详细设计中更加详细的确定出局部结构如肘板、连接、开口、加强处等构件的几何形状和尺寸大小。无论船舶大小，结构专业所出的技术文件总体上是相似的，总体确定总布置图与型线图之后，结构可以根据总布置与规范要求绘制出基本结构图与结构规范计算书，根据型线图可绘制出肋骨型线图，也可从NAPA，MAXSURF等总体软件中设置好肋位导出到CAD中，确定基本结构图与肋骨型线图后，便可以绘制出横舱壁图、横剖面图与外板展开图，进一步需要绘制船舶的基座结构图，首端尾端图，首柱尾柱图，球鼻艏、舭龙骨、轴包套图，黑色金属明细表等。为满足结构要求，绘图前的一些计算也是必不可少的，总纵强度计算，板格、纵骨、板架、舱段的局部强度计算，总振动计算与局部振动计算，总振动计算原理是迁移矩阵法，局部振动计算原理是能量法。可以用有限元软件计算，也可以用一些小程序计算，所谓小程序就是公式推导加上fortran这个小计算器，编制程序与调试程序的过程较为痛苦，一旦编好后应用就很便捷了；如果使用有限元，那么前期建模工作量极其庞大，一艘小船的三舱段模型一个熟手也要花费大约一周的时间，为了进行整船与局部分析，全船的建模工作量大概要花费一个月左右，但是一旦模型弄好后，分析起来的速度就较快。对有限元的理解有一个误区值得注意，那就是有限元计算并不能超脱于规范之外，结构尺寸的前提依然必须要满足相应的规范，使用有限元一是为了分析部分难以直接运用规范设计分析的，如扭转强度，屈曲稳定性分析等；二是由于规范是一个黑箱，通过有限元可以确定出结构的什么位置有哪些余量，让结构设计者心中有数，亦有利于规范的更新与修改。
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发表于 2012-3-26 22:00
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