| 单词 | 船舶及海洋工程结构力学 |
| 释义 | 【船舶及海洋工程结构力学】 拼译：structural mechanics of Ship and ocean engineering 是研究船舶及海洋工程结构物在载荷作用下结构响应的学科。结构响应分结构的静力响应和动力响应。静力响应是研究结构在静载荷作用下的应力、变形及稳定性，这里包括对结构的弹性、弹－塑性以及塑性极限等分析；动力响应则是研究结构的振动、疲劳应力分析、冲击碰撞以及动力稳定性等，此外还有结构的可靠性分析等内容。从研究的对象上看，这门学科研究杆系结构、板架结构、板与板结构、壳与壳系结构、线性结构(又称柔性结构)等等，其研究面相当广泛。 本学科是力学的一部分，是在一般力学和数学发展的基础上建立起来的。虽然力学的发展历史悠久，但船舶结构力学的建立和发展迄今还不到100年，而海洋工程结构力学则是近几十年随着海洋的开发才建立和发展起来的。KpbIпoв于1896年发表的《船舶在波浪上纵摇新理论及由此运动产生的应力》论文中以及1898年发表的《航行中船体所受的应力》论文中，第1次提出船舶在波浪上摇荡运动和作用在船体上的弯矩、剪力的计算方法。他的学生Бубнoв在船舶结构力学中所作的许多开创性的研究工作及1912～1914年所著的《船舶结构力学》第1、Ⅱ卷为船舶结构力学奠定了基础；他是近代船舶结构力学的创始人。此后Пaпк0виp和щиманcкий等不断充实和发展了船舶结构力学的理论和应用，20世纪30～50年代他们出版了一系列船舶结构力学的专著，从而使这门学科更加系统、丰富。在中国，船舶结构力学学科是50年代初建立和发展起来的。对船舶的总纵强度，传统是把船作为一空心薄壁梁，用梁的弯曲理论来解决船体梁的应力和变形问题，这在理论上是不困难的。而船体与上层建筑结构之间的相互作用和影响，则是长期以来研究的问题。最早的研究工作，是PurVis和Bruhn于19世纪末开始的。Hovgaard最先认识到剪应力对该问题的重要性，并于1931年发表了用剪应力理论来计算上层建筑与船体之间的剪应力分布。1950年，Crawfold采用双梁理论，但计算太繁琐。1953年，Bleich基于相同理论导出直接计算应力的计算方法。1955年，Muckle修正了Crawfold理论，计入剪应力滞后效应。50年代Schade、Caldwell和Johnson等基于弹性理论提出一个平面应力理论的方法。1960年，Muckle作了上层建筑开口影响效应的研究，使理论分折更加接近于实际；中国甘锡林等人于1988年应用平面梁系模型作了类似研究。近年来由于各国大量建造甲板上有大开口的船舶，船体的扭转强度的问题十分突出。Wilde于1967年最先将经典的薄壁梁理论应用于船体开口部分的扭转分析，但其分析用于闭式剖面时的误差较大。Haslum和Pedersen等于1972年后把Kollbrunnel-Hajdin的修正薄壁梁理论(又称为YМaнский理论)用于船体扭转分析，还提出了不同剖面间协调的处理方法和计算公式。Pittaluga于1977年提出了他的扭转理论，计算较精确，但计算工作量大。Пoстнoв于70年代提出运用Впaсoв的半无矩理论作船体扭转分析，其后不久，该理论也成功地得到应用。除了船体结构的总体性分析外，船体结构中的板、壳、杆系以及加筋板和加筋壳是船舶结构力学研究的主要对象。它们的结构行为对船舶结构的强度、稳定性及动力问题至关重要。对于板、壳、杆系结构的分析，一般直接借用板壳力学和杆系结构力学已有的理论和分析方法。对于加筋板和加筋壳的结构分析则一直是本学科的经典问题。加筋板在弯曲或受压时的有效宽度自1883年Box的公式提出以来，各国学者经过大量的研究和实验工作后，提出了许多计算公式。其中较为有名的有Karman、Frankland、Faulkner、Winter等提出的公式，而Faulkner于1965年提出的公式计入了初挠度及残余应力影响，与实验结果吻合较好。中国郭日修于1985年提出了计及有几何缺陷的板和具有初挠度纵骨影响的相应公式。海洋工程结构力学除了对海洋平台结构的总体分析、立柱的稳定性分析以外，主要的研究工作集中在平台管状接头的应力分析方面。Bijlaard和Dundrova等60年代用解析法对管接头进行了弹性分析，但只能应用于T型接头型式。Scordelis于1970年提出用半解析方法分析T型管接头的方法。陈铁云、张惠元于1992年所提出的半解析方法克服了以前各种半解析法在接头型式及载荷上的局限性，拓宽了半解析法在管接头分析上的适用范围。中国对海洋工程结构物的研究，包括静强度分析、疲劳强度分析、屈曲破坏、碰撞等，在近10多年的时间里取得了不少研究成果。船舶及海洋工程结构大多是由梁、板、壳组成的薄壁结构，结构的稳定性显得特别重要。能否恰当地解决稳定性问题，直接影响结构的安全、性能和经济性。因此，梁、板、壳及其组合结构的稳定性是船舶及海洋工程结构力学研究的重要内容之一。30年代末，Schade将正交异性板理论应用于船体板架分析，作了开创性的工作。随后，加筋板和板架的弹性稳定在3个精确度水平上，即线性小挠度理论、修正的小挠度理论及大挠度理论上，运用正交异性板法求解。50年代Timoshenko和Gere根据能量原理提出了分析加筋板弹性稳定的近似方法。70年代初，Faulkner将能量法推广到可考虑加强筋扭转刚度的影响以及板架两对边界受弹性转动的约束的情况。由于侧向载荷的存在以及船体板架总体刚度的坚实性，使得加筋板和板架结构的失稳通常是非弹性的。70年代至今，随着计算机和非线性有限元技术的发展，对不同结构型式、不同边界条件以及各种组合载荷作用下的板架弹一塑性稳定分析已取得较丰富的研究成果。加强筋的侧向失稳是板架结构稳定性计算的一个重要问题。60年代以前处理这一问题的方法限于弹性分析叉型失稳；70年代后期则采用非线性有限元对其进行分析。船舶及海洋工程结构在受到汹涛波浪的砰击，与其它结构物相碰撞或遭爆炸载荷的作用时，结构可能会因所受的动力载荷而产生动力失稳，使结构破坏而带来灾难性的后果。迄今结构单元(梁、板、壳等)在各种强动力环境下的动力稳定性研究已经展开，但大多将注意力集中于问题的定义、解题的方法学、实验等基础性方面研究。船舶及海洋工程结构物的另一类基本结构是各类壳体(包括加筋壳、组合壳体)，其稳定性研究的文章近年来呈指数上升，涉及弹性稳定、塑性稳定、动稳定、计算方法及实验诸方面。近代稳定理论(非线性稳定理论、非线性前屈曲一致理论、初始后屈曲理论)的发展、计算技术的进步，诸如用统计方法作随机初始缺陷对失稳敏感性分析、组合壳体的弹塑性计算，复杂载荷作用下的壳体稳定研究均已取得成果。但由于船舶及海洋工作结构物是大型、复杂的薄壁组合结构，受载情况亦非常复杂，稳定性问题的研究远未达到令人满意的程度。当前，稳定性研究的热点是弹性后屈曲分析及结构承载能力的计算、动力稳定性研究、缺陷影响问题，等等。船舶振动作为船舶结构力学的一个分支，随着航运与造船事业的发展，自70年代开始在中国得到迅速发展。由于船舶是在水中运动地弹性体，舷外水对船舶振动产生了不可忽视的影响，尤其是惯性影响，故须计及附连水质量。Lewis于1924年应用保角变换方法，对一系列不同剖面形状的无限长柱体在无限水域中的振动情况进行了研究。在此基础上Lewis和Todd等人提出了船体梁各剖面单位长度的附连水质量的计算公式，采用二维流动理论计算的结果加上三维及浅水、狭航道的修正的做法。另一种计算附连水质量的方法是流体有限元法，并可用结构浸水面上的边界元代替结构周围流场的流体元，从而大大节省计算机容量和机时。为了更精确地解决船体和周围流体相互作用的问题，除了流固耦合计算方法外，Bishop和Price于1979年首次系统地提出了船舶水弹性力学理论。近来有限元法被广泛地应用于计算船舶总体和局部结构的振动。为了克服有限元法的不足，自80年代以来，中国陆鑫森、恽传君等对动态子结构法、模态综合法作了大量的研究工作，不仅可减少计算大型特征值的工作量，而且可计及船体和局部结构的耦合振动。对集装箱船等大开口船舶，由于抗扭刚度降低，已不单纯是弯曲振动，而必然伴随扭转振动。由于船体剖面对水平轴为非对称，因此水平弯曲振动必然与扭转振动相耦合。应用三维有限元法虽可解决这一问题，但为了减少计算工作量，工程上采用薄壁梁理论进行计算。Pedersen于1982年首先将薄壁梁理论用于解船体弯、扭耦合振动。中国的上海交通大学、武汉水运工程学院等进一步解决了弯、扭耦合振动时的附连水质量计算，并编制了实用计算程序。船舶振动研究今后的重点是发展将船舶外载荷与船体变形和强度统一起来研究的三维水弹性理论。近年来由于各种新船型的建造和海洋的开发，新结构、新材料的不断出现，结构物的弹、塑性破坏、疲劳断裂、稳定性、动力问题等对船舶及海洋工程结构力学提出了大量有待解决的力学问题。当前本学科正经历着深刻的变化，其主要表现在从线性模型过渡到非线性模型；从静态处理过渡到动态处理；从确定性问题过渡到概率分析；从分离的个别分析过渡到整体分析等。60～70年代本学科的主要焦点是静力和线性问题，而当前的热点是：(1)非线性(大应变、大变形、接触撞击，非线性稳定性等)；(2)时效响应(动力分析，动力稳定性，流固耦合响应等)；(3)非保守系统(随动力作用下的稳定性等)；(4)不确定性问题(随时、变异)。【参考文献】：1 曼斯基主编．船舶结构力学手册．上海：上海科学技术出版社，19642 Smith C S．J．Ship Research，1968，43 Haslum K，Tonnessen A．European Shipbuilding，1972，5164 Faulkner D．J．Ship Research，1975，19(1)5 Bishop R E D，Price W G．Hydroelasticiry of Ships．Combridge University Press，19796 Pedersen P T．Trans．RINA，19827 陆鑫森，克劳夫，R W．振动与冲击，1982，18 Babcock，C D．J．Applied Mechanics，1983，50(4)(武汉交通科技大学杨平副教授、吴卫国讲师、翁长俭教授撰；王发祥审) |
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