1.本发明涉及船舶设计建造及可靠性分析领域，特别涉及一种优化船舶冰带结构从而提高冰区船舶在局部损伤情况下抵抗浮冰重复碰撞能力的方法。
背景技术：2.对于冰区船舶而言，极地航线浮冰区的严苛环境对船舶结构提出了较高要求。除波浪载荷、垂直弯矩以及腐蚀效应等因素外，冰区船舶在极地海域航行的过程中，极有可能遭遇浮冰对船首及舷侧冰带结构的连续碰撞，乃至造成船体结构的局部损伤与失效。为了保证冰区船舶在结构局部失效情况下的安全性，应当对船体舷侧结构进行冗余度分析及结构分级优化，使其在碰撞损伤条件下仍具备充足的安全裕度。
3.目前，面对结构局部损伤下的剩余强度问题，结构冗余度理论逐步引入船舶结构设计中。在2009年颁布的solas规范中，对散货船的结构强度和冗余度进行了定性描述和要求。此外，imo msc通函中对结构冗余度进行了说明，要求：船舶应予以冗余设计和建造，以使得任何加筋结构构件的局部损坏不会立即导致随之而来的整个加筋板格垮塌。当前，国内相关研究主要通过冗余度衡准计算、失效路径分析等方法，对常规船型(如散货船、油船等)在危险工况下的整体及局部结构冗余度进行分析。然而，纵观当前相关研究，对于冰区船舶在浮冰连续碰撞下的重点区域结构冗余度，国内外尚未形成具体的定量规范标准。同时，针对船舶不同结构层次的冗余度评估体系研究较少，相应的结构评估及设计方法尚不完善。
4.因此，为保证冰区船舶在浮冰碰撞局部损伤下的可靠性，应借鉴结构冗余度理论，并对不同结构层次的构件进行归类和分析，建立船舶冰带结构耐撞性分级优化方法。
技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种能够提高抗冰载荷能力的船舶冰带结构分级冗余优化方法。通过这一方法能够有效评估船舶冰带结构在浮冰连续碰撞下的结构冗余度，并根据不同结构层次构件的受力情况，对各级结构构件进行迭代优化。最后，对不同优化方案优化后的结构整体质量变化进行分析，得出最优的结构优化方案，保证冰带结构在极端海况下的安全可靠。
6.技术方案如下：
7.一种提高抗冰载荷能力的船舶冰带结构分级冗余优化方法，包括步骤如下：
8.第一步：根据船舶冰级及设计参数确定舷侧冰带浮冰碰撞载荷；
9.为模拟船舶在冰区航行时的极端载荷工况，设冰带的冰带首部区、冰带中部区及冰带尾部区三个区域分别在全长范围内承受浮冰碰撞载荷，舷侧冰带浮冰碰撞载荷工况设置为：浮冰等效载荷大小为p，载荷高度为1m，均布在冰带首部区、中部区及尾部区，载荷作用方向垂直于船体外板；
10.第二步：对船体结构进行有限元建模，划分舷侧各级结构层次；
11.采用有限元方法对舷侧冰带结构在浮冰碰撞下的力学响应进行分析，根据船舶设计参数及结构形式，对船体结构进行有限元建模及网格划分；为了对舷侧冰带结构构件的应力传递及失效模式进行模拟，舷侧模型网格划分采用六面体或四面体单元；
12.对于不同的船舶结构形式，划分舷侧各级结构层次，以便逐级进行强度评估及优化，各结构层次构件分别在本级内构成板格、板架结构或作为横向框架结构的组成部分；在遭遇外部浮冰碰撞载荷时，应力首先在各级内部构件间进行传递，而后扩展至更高级别构件；
13.第三步：基于有限元技术进行结构剩余强度分析，通过“关键构件分级迭代损伤法”评估舷侧结构冗余度；
14.利用第二步建立的船体结构有限元模型进行数值模拟分析，边界条件设置为：对横舱壁端施加对称约束，即约束x方向位移及y、z方向转角；按照第一步中确定的舷侧冰带浮冰碰撞载荷进行加载，得到结构应力分布情况，在此基础上进行极限强度分析及结构冗余度评估；
15.为保证船舶在极端重复碰撞载荷下的安全性，确定极限强度衡量标准σ
accept
将极限强度衡准表示为：
[0016][0017]
其中，r
el
为材料屈服强度，rm为材料抗拉强度，λ为计算工况下载荷安全系数，cm为结构材料非线性修正系数；
[0018]
采用关键构件分级迭代损伤法对结构冗余度进行评估，步骤如下：
[0019]
1)按照载荷工况对结构进行浮冰碰撞有限元分析，取当前结构中应力最大的构件，记其应力值为σ
max
；若σ
max
小于σ
accept
，则判断结构满足要求，分析终止；若σ
max
大于σ
accept
，则将该构件作为当前结构的关键构件，继续后续分析；
[0020]
2)判断该关键构件所处的结构级别；若关键构件出现在第一级结构，则对该关键构件进行损伤模拟，随后重复步骤1)操作；若关键构件出现在第二级结构，则说明损伤风险由第一级构件转移到第二级构件，对该关键构件进行损伤模拟，随后重复步骤1)操作；若关键构件出现在第三级结构，则说明损伤风险转移到第三级构件，分析终止；
[0021]
3)分析终止后，对结构冗余度进行评级；若完整结构在有限元分析中满足要求，则认为结构冗余度很高，无需优化和加强；若经迭代损伤分析后，仅第一级构件发生损伤，则评定结构冗余度为r1级，认为该结构具备充足冗余度，无需优化；若有第二级构件发生损伤，则评定结构冗余度为r2级，认为该结构冗余度不足，需对第一级构件进行优化；若有第三级构件发生损伤，则评定结构冗余度为r3级，认为该结构冗余度严重不足，需对第一、二级构件进行优化；
[0022]
对于步骤2)中的关键构件损伤模拟，损伤模式取最不利情况，即构件端部发生断裂；相应地，在有限元模型中修改关键构件的约束条件为一端简支、一端固支，以模拟其损伤模式；
[0023]
第四步：舷侧冰带结构优化设计：根据第三步结构冗余度分析结果，对相应构件进行分级优化，优化目标为：保证载荷工况下，结构损伤不会从低级构件传递到高级构件；
[0024]
第五步：对优化后的结构进行剩余强度分析及结构冗余度分析，若优化方案满足
要求，则对方案引起的结构质量变化进行计算和分析；若优化方案不满足要求或结构质量变化过大，超过3％，则继续第四步直至结构满足第三步分析中的强度及结构冗余度要求；
[0025]
第六步：确定最终冰带结构分级冗余优化方案。
[0026]
进一步地，第一步中，
[0027]
船舶冰带浮冰碰撞等效载荷为：
[0028][0029]
其中，k值与船舶排水量、船舶发动机输出功率相关，表示为：
[0030][0031]
δ为船舶处于设计最高冰级工况时的排水量；
[0032]
p为船舶轮机实际连续输出功率，单位kw；
[0033]
a，b与k值大小及冰载荷作用区域有关；
[0034]
c1为不同冰级下冰载荷出现在冰带首部区、冰带中部区及冰带尾部区的可能性。
[0035]
进一步地，第二步中，划分舷侧各级结构层次如下：
[0036]
第一级：
[0037]
1)舷侧纵骨；
[0038]
2)包含普通肋骨、中间肋骨、甲板间肋骨的肋骨结构；
[0039]
第二级：
[0040]
1)舷侧纵桁；
[0041]
2)强肋骨；
[0042]
第三级：
[0043]
1)甲板边板；
[0044]
2)包含舭肘板、梁肘板的肘板结构；
[0045]
3)包含舱壁水平桁、舱壁垂直桁、舱壁板的舱壁结构。
[0046]
第三步中，所确定的极限强度衡量标准σ
accept
：
[0047][0048]
其中，r
el
为材料屈服强度，rm为材料抗拉强度，λ为计算工况下载荷安全系数，cm为结构材料非线性修正系数。
[0049]
进一步地，第四步的优化方法包括：提高关键构件结构强度，即增大构件尺寸或改进构件钢材；增加关键构件传力路径，即在需优化的结构层级内调整构件结构形式或增加构件数量。
[0050]
本发明提出的提高抗冰载荷能力的船舶冰带区结构分级冗余优化方法，与现有技术相比，其优势在于：
[0051]
1)本发明提出了一种浮冰碰撞下舷侧冰带结构的分级冗余优化方法，能够低成本、高效率地量化评估结构剩余强度及冗余度，并对各级结构进行针对性优化；
[0052]
2)本发明提出的关键构件分级迭代损伤法，能够高效评估结构在碰撞损伤情况下的结构冗余度，并为结构优化提供依据，对现有规范进行补充；
[0053]
3)本发明提出的结构分级优化方法，通过对结构受力过程中不同层级的关键构件进行针对性加强，能够在保证结构整体质量基本不变的条件下，提高结构局部损伤下的剩余强度，优化结构可靠性。
附图说明
[0054]
图1为关键构件分级迭代损伤法实施流程图；
[0055]
图2为本发明实例的有限元模型及网格划分图；
[0056]
图3为本发明实例的有限元模型浮冰碰撞载荷示意图；
[0057]
图4为本发明实例的第一次分析结构应力云图；
[0058]
图5为本发明实例的第二次分析结构应力云图；
[0059]
图6为本发明实例的第三次分析结构应力云图；
[0060]
图7为本发明实例的第四次分析结构应力云图；
[0061]
图8为本发明实例的第五次分析结构应力云图；
[0062]
图9为本发明实例的第六次分析结构应力云图；
[0063]
图10为本发明实例的优化方案结构应力云图；
[0064]
图11为本发明实例的优化方案与原方案关键构件应力对比图。
具体实施方式
[0065]
下面首先介绍本发明的提高抗冰载荷能力的船舶冰带结构分级冗余优化方法的技术方案，包括步骤如下：
[0066]
第一步：根据船舶冰级及设计参数确定舷侧冰带浮冰碰撞载荷
[0067]
船舶冰带浮冰碰撞等效载荷为：
[0068][0069]
其中，k值与船舶排水量、船舶发动机输出功率相关，可表示为：
[0070][0071]
δ为船舶处于设计最高冰级工况时的排水量；
[0072]
p为船舶轮机实际连续输出功率，单位kw；
[0073]
a，b与k值大小及冰载荷作用区域有关，具体取值如表1。
[0074]
表1船舶不同区域a、b取值
[0075][0076]
c1为不同冰级下冰载荷出现在冰带首部区、冰带中部区及冰带尾部区的可能性，具体取值如表2。
[0077]
表2各冰级下c1在冰带不同区域的取值
[0078][0079]
p0为公称冰压，在实际计算中取5.6mpa。
[0080]
为了模拟船舶在冰区航行时的极端载荷工况，在分析中，假设冰带的三个区域分别在全长范围内承受浮冰碰撞载荷。载荷工况设置为：浮冰等效载荷大小为p，载荷高度为1m，均布在冰带首部区、中部区及尾部区，载荷作用方向垂直于船体外板。
[0081]
第二步，对船体结构进行有限元建模，划分舷侧各级结构层次
[0082]
采用有限元方法对舷侧冰带结构在浮冰碰撞下的力学响应进行分析。根据船舶设计参数及结构形式，对船体结构进行有限元建模及网格划分。为了对舷侧冰带结构构件的应力传递及失效模式进行准确模拟，舷侧模型网格划分采用六面体或四面体单元。
[0083]
对于纵骨架式、横骨架式以及混合骨架式等不同的船舶结构形式，将结构划分为三级，以便逐级进行强度评估及优化，具体分级如下。
[0084]
第一级：
[0085]
1)舷侧纵骨；
[0086]
2)包含普通肋骨、中间肋骨、甲板间肋骨的肋骨结构；
[0087]
第二级：
[0088]
1)舷侧纵桁；
[0089]
2)强肋骨；
[0090]
第三级：
[0091]
1)甲板边板；
[0092]
2)包含舭肘板、梁肘板的肘板结构；
[0093]
3)包含舱壁水平桁、舱壁垂直桁、舱壁板的舱壁结构。
[0094]
各结构层次构件分别在本级内构成板格、板架结构或作为横向框架结构的组成部分。在遭遇外部浮冰碰撞载荷时，应力首先在各级内部构件间进行传递，而后扩展至更高级别构件。
[0095]
第三步：基于有限元技术进行结构剩余强度分析，通过“关键构件分级迭代损伤法”评估舷侧结构冗余度
[0096]
利用第二步建立的船体结构有限元模型进行数值模拟分析。边界条件设置为：对横舱壁端施加对称约束(即约束x方向位移及y、z方向转角)。按照第一步中说明的载荷工况进行加载，得到结构应力分布情况。在此基础上进行极限强度分析及结构冗余度评估。
[0097]
为保证船舶在极端重复碰撞载荷下的安全性，将极限强度衡准表示为：
[0098][0099]
其中，r
el
为材料屈服强度，rm为材料抗拉强度，λ为计算工况下载荷安全系数，cm为结构材料非线性修正系数。
[0100]
采用关键构件分级迭代损伤法对结构冗余度进行评估，分析步骤如下：
[0101]
1)按照载荷工况对结构进行浮冰碰撞有限元分析。取结构中应力最大的构件，记其应力值为σ
max
。若σ
max
小于σ
accept
，则判断结构满足要求，分析终止；若σ
max
大于σ
accept
，则将该构件作为当前结构的关键构件，继续后续分析；
[0102]
2)判断该关键构件所处的结构级别。若关键构件出现在第一级结构，则对该关键构件进行损伤模拟，随后重复步骤1)操作；若关键构件出现在第二级结构，则说明损伤风险由第一级构件转移到第二级构件，对该关键构件进行损伤模拟，随后重复步骤1)操作；若关键构件出现在第三级结构，则说明损伤风险转移到第三级构件，分析终止。
[0103]
3)分析终止后，对结构冗余度进行评级。若完整结构在有限元分析中满足要求，则认为结构冗余度很高，无需优化和加强。若经迭代损伤分析后，仅第一级构件发生损伤，则评定结构冗余度为r1级，认为该结构具备充足冗余度，无需优化；若有第二级构件发生损伤，则评定结构冗余度为r2级，认为该结构冗余度不足，需对第一级构件进行优化；若有第三级构件发生损伤，则评定结构冗余度为r3级，认为该结构冗余度严重不足，需对第一、二级构件进行优化。
[0104]
对于步骤2)中的关键构件损伤模拟，损伤模式取最不利情况，即构件端部发生断裂。相应地，在有限元模型中修改关键构件的约束条件为一端简支、一端固支，以模拟其损伤模式。
[0105]
第四步，舷侧冰带结构优化设计
[0106]
根据第三步结构冗余度分析结果，对相应构件进行分级优化。优化目标为：保证载荷工况下，结构损伤不会从低级构件传递到高级构件。优化方法主要包括：提高关键构件结构强度，即增大构件尺寸或改进构件钢材等；增加关键构件传力路径，即在需优化的结构层级内调整构件结构形式或增加构件数量等。
[0107]
第五步：对优化后的结构进行剩余强度分析及结构冗余度分析，若优化方案满足要求，则对方案引起的结构质量变化进行计算和分析。若优化方案不满足要求或结构质量变化过大，比如超过3％，则继续第四步直至结构满足第三步分析中的强度及结构冗余度要求。
[0108]
第六步：确定最终冰带结构分级冗余优化方案。
[0109]
下面以某pc6级冰区航行船舶舷侧冰带结构在浮冰碰撞下的结构优化为例，说明本发明的具体实施方式。
[0110]
首先，根据船舶冰级、设计参数以及航区工况确定舷侧冰带结构浮冰碰撞载荷。舷侧结构钢材采用ah36型钢号。由等效载荷计算公式，设置载荷工况为：载荷大小为2.55mpa，载荷高度为1m，均布在船舶冰带首部区(子区域1至子区域25)，载荷方向垂直于船体外板。
[0111]
对船体结构进行有限元建模，划分舷侧各级结构层次。根据冰带首部区结构形式，对船体进行有限元建模及网格划分，见图1；对结构施加浮冰等效载荷，见图2。
[0112]
在结构层次分级中，将结构划分为三级，以便逐级进行强度评估及优化。
[0113]
第一级：
[0114]
1)舷侧纵骨；
[0115]
2)包含普通肋骨、中间肋骨、甲板间肋骨的肋骨结构；
[0116]
第二级：
[0117]
1)舷侧纵桁；
[0118]
2)强肋骨；
[0119]
第三级：
[0120]
1)甲板边板；
[0121]
2)包含舭肘板、梁肘板的肘板结构；
[0122]
3)包含舱壁水平桁、舱壁垂直桁、舱壁板的舱壁结构。
[0123]
各结构层次构件分别在本级内构成板格、板架结构或作为横向框架结构的组成部分。在遭遇外部浮冰碰撞载荷时，应力首先在各级内部构件间进行传递，而后扩展至更高级别构件。
[0124]
基于有限元技术进行结构剩余强度分析，通过“关键构件分级迭代损伤法”评估舷侧结构冗余度。在有限元模型设置中，将边界条件设置为：对横舱壁端施加对称约束(即约束x方向位移及y、z方向转角)。按照第一步中说明的载荷工况进行加载，得到结构应力分布情况。在此基础上进行极限强度分析及结构冗余度评估。
[0125]
为保证船舶在极端重复碰撞载荷下的安全性，将极限强度衡准表示为：
[0126][0127]
其中，r
el
为材料屈服强度，rm为材料抗拉强度，λ为计算工况下载荷安全系数，cm为结构材料非线性修正系数。经计算，对该船而言σ
accept
为309.75mpa。
[0128]
采用关键构件分级迭代损伤法对结构冗余度进行评估，方法实施流程图见图3，具体分析步骤如下：
[0129]
1)按照载荷工况对结构进行浮冰碰撞有限元分析。取结构中应力最大的构件，记其应力值为σ
max
。若σ
max
小于σ
accept
，则判断结构满足要求，分析终止；若σ
max
大于σ
accept
，则将该构件作为当前结构的关键构件，继续后续分析；
[0130]
2)判断该关键构件所处的结构级别。若关键构件出现在第一级结构，则对该关键构件进行损伤模拟，随6后重复步骤1)操作；若关键构件出现在第二级结构，则说明损伤风险由第一级构件转移到第二级构件，对该关键构件进行损伤模拟，随后重复步骤1)操作；若关键构件出现在第三级结构，则说明损伤风险转移到第三级构件，分析终止。
[0131]
3)分析终止后，对结构冗余度进行评级。若完整结构在有限元分析中满足要求，则认为结构冗余度很高，无需优化和加强。若经迭代损伤分析后，仅第一级构件发生损伤，则评定结构冗余度为r1级，认为该结构具备充足冗余度，无需优化；若有第二级构件发生损伤，则评定结构冗余度为r2级，认为该结构冗余度不足，需对第一级构件进行优化；若有第三级构件发生损伤，则评定结构冗余度为r3级，认为该结构冗余度严重不足，需对第一、二级构件进行优化。
[0132]
对于步骤2)中的关键构件损伤模拟，损伤模式取最不利情况，即构件端部发生断裂。相应地，在有限元模型中修改关键构件的约束条件为一端简支、一端固支，以模拟其损
伤模式。
[0133]
经分析可知，该船舷侧冰带结构共经历6次迭代损伤模拟，各次模拟分析结果如表3所示，各次分析结构应力云图见图4～图9。根据分析结果，第一级结构中2处构件损伤、第二级结构4处构件损伤，最终导致第三级结构中横舱壁损伤。因此，评定结构冗余度为r3级，需对第一、二级构件进行优化。
[0134]
表3关键构件分级迭代损伤法分析过程
[0135][0136]
根据结构冗余度分析结果，对关键构件进行分级优化。通过对比分析各优化方法，确定结构加强方案为：增大载荷区域关键构件1-1舷侧纵骨的尺寸，将球扁钢由型号10(100
×
6)改为型号14a(140
×
7)；增大载荷区域关键构件2-1舷侧纵桁的尺寸，将球扁钢由型号14a(140
×
7)改为型号16a(160
×
8)。
[0137]
对优化后结构再次进行有限元分析，舷侧结构应力云图见图10。结果显示，最大应力值σ
max
出现在原结构的关键构件1-2处，且σ
max
小于σ
accept
，表明结构具备充足冗余度。完整结构状态下，与原方案相比，各关键构件应力值降低，说明结构剩余强度显著提高，见图11。此外，对优化方案引起的结构质量变化进行计算和分析。结果表明，优化前后船体结构质量变化不超过3％。因此，该优化方案满足要求，最终形成该船冰带结构分级优化方案。
技术特征：1.一种提高抗冰载荷能力的船舶冰带结构分级冗余优化方法，包括步骤如下：第一步：根据船舶冰级及设计参数确定舷侧冰带浮冰碰撞载荷；为模拟船舶在冰区航行时的极端载荷工况，设冰带的冰带首部区、冰带中部区及冰带尾部区三个区域分别在全长范围内承受浮冰碰撞载荷，舷侧冰带浮冰碰撞载荷工况设置为：浮冰等效载荷大小为p，载荷高度为1m，均布在冰带首部区、中部区及尾部区，载荷作用方向垂直于船体外板；第二步：对船体结构进行有限元建模，划分舷侧各级结构层次；采用有限元方法对舷侧冰带结构在浮冰碰撞下的力学响应进行分析，根据船舶设计参数及结构形式，对船体结构进行有限元建模及网格划分；为了对舷侧冰带结构构件的应力传递及失效模式进行模拟，舷侧模型网格划分采用六面体或四面体单元；对于不同的船舶结构形式，划分舷侧各级结构层次，以便逐级进行强度评估及优化，各结构层次构件分别在本级内构成板格、板架结构或作为横向框架结构的组成部分；在遭遇外部浮冰碰撞载荷时，应力首先在各级内部构件间进行传递，而后扩展至更高级别构件；第三步：基于有限元技术进行结构剩余强度分析，通过“关键构件分级迭代损伤法”评估舷侧结构冗余度；利用第二步建立的船体结构有限元模型进行数值模拟分析，边界条件设置为：对横舱壁端施加对称约束，即约束x方向位移及y、z方向转角；按照第一步中确定的舷侧冰带浮冰碰撞载荷进行加载，得到结构应力分布情况，在此基础上进行极限强度分析及结构冗余度评估；为保证船舶在极端重复碰撞载荷下的安全性，确定极限强度衡量标准σ
accept
将极限强度衡准表示为：其中，r
el
为材料屈服强度，r
m
为材料抗拉强度，λ为计算工况下载荷安全系数，c
m
为结构材料非线性修正系数；采用关键构件分级迭代损伤法对结构冗余度进行评估，步骤如下：1)按照载荷工况对结构进行浮冰碰撞有限元分析，取当前结构中应力最大的构件，记其应力值为σ
max
；若σ
max
小于σ
accept
，则判断结构满足要求，分析终止；若σ
max
大于σ
accept
，则将该构件作为当前结构的关键构件，继续后续分析；2)判断该关键构件所处的结构级别；若关键构件出现在第一级结构，则对该关键构件进行损伤模拟，随后重复步骤1)操作；若关键构件出现在第二级结构，则说明损伤风险由第一级构件转移到第二级构件，对该关键构件进行损伤模拟，随后重复步骤1)操作；若关键构件出现在第三级结构，则说明损伤风险转移到第三级构件，分析终止；3)分析终止后，对结构冗余度进行评级；若完整结构在有限元分析中满足要求，则认为结构冗余度很高，无需优化和加强；若经迭代损伤分析后，仅第一级构件发生损伤，则评定结构冗余度为r1级，认为该结构具备充足冗余度，无需优化；若有第二级构件发生损伤，则评定结构冗余度为r2级，认为该结构冗余度不足，需对第一级构件进行优化；若有第三级构件发生损伤，则评定结构冗余度为r3级，认为该结构冗余度严重不足，需对第一、二级构件进行优化；
对于步骤2)中的关键构件损伤模拟，损伤模式取最不利情况，即构件端部发生断裂；相应地，在有限元模型中修改关键构件的约束条件为一端简支、一端固支，以模拟其损伤模式；第四步：舷侧冰带结构优化设计：根据第三步结构冗余度分析结果，对相应构件进行分级优化，优化目标为：保证载荷工况下，结构损伤不会从低级构件传递到高级构件；第五步：对优化后的结构进行剩余强度分析及结构冗余度分析，若优化方案满足要求，则对方案引起的结构质量变化进行计算和分析；若优化方案不满足要求或结构质量变化过大，超过3％，则继续第四步直至结构满足第三步分析中的强度及结构冗余度要求；第六步：确定最终冰带结构分级冗余优化方案。2.根据权利要求1所述的船舶冰带结构分级冗余优化方法，其特征在于，第一步中，船舶冰带浮冰碰撞等效载荷为：其中，k值与船舶排水量、船舶发动机输出功率相关，表示为：δ为船舶处于设计最高冰级工况时的排水量；p为船舶轮机实际连续输出功率，单位kw；a，b与k值大小及冰载荷作用区域有关；c1为不同冰级下冰载荷出现在冰带首部区、冰带中部区及冰带尾部区的可能性。3.根据权利要求1所述的船舶冰带结构分级冗余优化方法，其特征在于，第二步中，划分舷侧各级结构层次如下：第一级：1)舷侧纵骨；2)包含普通肋骨、中间肋骨、甲板间肋骨的肋骨结构；第二级：1)舷侧纵桁；2)强肋骨；第三级：1)甲板边板；2)包含舭肘板、梁肘板的肘板结构；3)包含舱壁水平桁、舱壁垂直桁、舱壁板的舱壁结构。第三步中，所确定的极限强度衡量标准σ
accept
：其中，r
el
为材料屈服强度，r
m
为材料抗拉强度，λ为计算工况下载荷安全系数，c
m
为结构材料非线性修正系数。4.根据权利要求1所述的船舶冰带结构分级冗余优化方法，其特征在于，第四步的优化方法包括：提高关键构件结构强度，即增大构件尺寸或改进构件钢材；增加关键构件传力路
径，即在需优化的结构层级内调整构件结构形式或增加构件数量。
技术总结本发明涉及一种提高抗冰载荷能力的船舶冰带结构分级冗余优化方法，包括步骤如下：根据船舶冰级及设计参数确定舷侧冰带浮冰碰撞载荷；对船体结构进行有限元建模，划分舷侧各级结构层次；各结构层次构件分别在本级内构成板格、板架结构或作为横向框架结构的组成部分；在遭遇外部浮冰碰撞载荷时，应力首先在各级内部构件间进行传递，而后扩展至更高级别构件；基于有限元技术进行结构剩余强度分析，通过关键构件分级迭代损伤法评估舷侧结构冗余度；舷侧冰带结构优化设计，优化目标为：保证载荷工况下，结构损伤不会从低级构件传递到高级构件；对优化后的结构进行剩余强度分析及结构冗余度分析。冗余度分析。冗余度分析。
技术研发人员：余建星 金子航 余杨 王福程 苏晔凡 黄恺航
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
