[船体] 船舶强度研究中的几个问题

船舶强度研究中的几个问题

　　摘　要　提出了船舶强度研究中值得注意的凡个问题：①船舶砰击动力屈曲，②船舶总极限强度：③爆炸载荷作用厂舰船加筋板的变形和破损。评述己有的研究成果，提出新的观点。
　　关键词　船体强度　砰击　动力屈曲　极限强度　加筋板　爆炸载荷

1　前言
　　船舶砰击动力屈曲、船舶总极限强度以及爆炸载荷作用下舰船加筋板的变形和破损是目前船舶强度研究中值得注意的3个论题。本文就这3个论题的研究现状作简要的评述，并对开展进一步的研究提出一些新的观点。

2　船舶砰击动力屈曲
　　关于船体上甲板的动力屈曲问题，早在本世纪50年代就己提出。90年代以来，国内的一些学者对这一论题进行了较为广泛的研究，并得出了一些重要的结论。
2．1　船舶砰击动力屈曲研究的历史概况
　　1966年，Heller和Kammerer［1］对美国LakeChamp1ain号和Ticonderoga号两艘航空母舰的海损事故作了深入的分析研究。这两艘航空母舰因遭遇恶劣海况，致使直接遭受波浪冲击的艏部外发生严重损坏。同时，位于航母肿部的机库甲板出现明显的屈曲损坏，双层底结构亦出现了同样的损坏。分析表明：传统的准静态总纵强度计算方法己不可能正确预报此类破坏现象，亦即必须计及波浪载荷的动力作用。引起船舶舯部甲板屈曲破坏的主要因素是砰击振动引起的冲荡应力（Whippingstress）。冲荡应力与波浪应力的叠加引起了船体上甲板的屈曲破坏。之后，美国海军特地安排了另一艘姐妹舰Essex号在相同的航区、相似的海况下进行实船测量试验。由于剧烈的艏部外飘砰击引起该舰强力甲板严重损坏。典型的实船测量记录如图1所示。由图1可知：船体构件的应力记录曲线可理解为以波浪遭遇频率变化的波浪应力曲线上叠加上一个以船体梁一阶自振频率变化的高频冲荡应力。冲荡应力的量值有可能达到甚至超过波浪应力的水平。

图1　典型的船体构件动应力记录曲线

　　90年代以来，张清杰，李世其和顾王明等［2～4］进一步讨论了波浪砰击载荷作用下船体结构动力屈曲的破坏机理问题，并给出了水冲击载荷作用下杆、板等船体基本构件冲击屈曲的研究结果。指出：文献［5］中将流-固载荷（砰击载荷）视为准静态的压缩载荷，忽略了砰击载荷作用下甲板屈曲破坏的动力效应，因而不可能给出舰船总体极限承载能力的正确估计。同时还指出：由于舰船遭遇的砰击载荷的持续时间通常接近其一阶自振周期，因此砰击载荷作用下船舶结构的动力屈曲，就外载荷而言，既不属于经典的理想脉冲屈曲范畴，也不属于阶跃载荷作用下的屈曲问题，而是属于另一类典型却很少有人涉足的中速冲击屈曲问题。
　　最近，徐向东等［6］移植二维水弹性砰击与波激力矩程序，将计算出的弯矩化解为3种等效力作用于船体作为冲击外载，并应用B-R准则，以对应的静态屈曲阈值为基点搜索动态屈曲，讨论了船体上甲板的砰击动力屈曲问题。得出的主要结论是：①船体砰击动力屈曲阈值大于静力屈曲阈值；②将船体砰击动态屈曲简化为压板稳定问题的处理方法是欠妥的。其对应的船体上甲板动力屈曲过程表现为：屈曲首先发生于船舯，然后发展至船艏。
2．2　船体上甲板砰击屈曲的破坏机理
　　为了阐明船体上甲板砰击动力屈曲的破坏机理，可以利用图1所示的船体构件波浪应力和冲荡应力的时间历程曲线。波浪砰击的直接后果是使船体产生基频为船体梁一阶固有频率的冲荡振动。当冲荡应力与波浪应力的合成压缩应力足够大时，将导致船体上甲板的屈曲破坏。这就表明：船体上甲板的砰击屈曲并不是波浪砰击载荷直接作用于船体上甲板的结果，而是波浪砰击引起的砰击动弯矩使船体上甲板受到交变面内压缩载荷作用的结果。该面内压缩载荷的变化周期等于船体梁第一谐调的自振周期，它并不等于砰击载荷的持续时间。也就是说，冲荡应力的变化周期仅与船体梁的一阶自振周期有关，而与砰击载荷的动力特征无关。
　　船体梁的一阶自振周期具有秒的量级（参见图1）。因此，交变冲荡应力虽具有随时问变化的特性，但由于它的变化周期甚大于船体上甲板结构的基本自振周期，故此类面内压缩应力可以理想化为准静态载荷。由此可得出结论：文献［5］将波浪砰击对船体上甲板的作用视为准静态载荷的做法是一种较为合理的近似处理方法。国外学者至今未涉足船体上甲板砰击动力屈曲研究的根本原因可能就在于此。
　　需要指出的是：文献［2～4］所讨论的水冲击载荷作用下杆板结构的冲击屈曲问题是与船体上甲板砰击动力屈曲完全不同的另一类结构冲击屈曲问题。正如文献［2～4］所指出的那样，波浪砰击载荷的持续时间具有毫秒的量级。因此，文献［2～4］给出的结构冲击屈曲的一些结论并不适用于船体上甲板砰击动力屈曲的情况。诚然，波浪冲击载荷直接导致船体结构屈曲损坏的情况亦是有的。例如文献［7］提到中波轮船公司的货轮曾因艏部砰击造成艄部舱室支柱失稳破坏的事例。
　　需要进一步指出的是：船体上甲板的动力屈曲通常发生在船体的舯部附近，其原因是船体梁所承受的外弯矩的峰值总是位于船舯部位的缘故。极值波浪弯矩作用下船体上甲板一旦在其中部发生屈曲损坏，随后极值波浪弯矩的作用只能引起屈曲变形在船肿部位的进一步增长，不会导致屈曲变形向船体艄部发展的情况。美国航母Ticonderoga号机库甲板的损坏状况证实了这一结论（参见文献［1］中的图1）。
　　还需指出的是：波浪砰击载荷对于船体上甲板的作用虽可作为准静态载荷来处理，但波浪载荷的反复作用对船体梁的总纵强度仍起着十分重要的影响。关于这一论题将在本文的下一小节中加以讨论。