0 引　言

船舶在复杂海洋环境中面临巨浪冲击、碰撞、搁浅等极端载荷，船体结构极限强度是保障航行安全的核心指标，直接关系到船员生命、货物安全及海洋环境防护。现代船舶向大型化、轻量化、多功能化发展，超大型集装箱船、极地科考船等新船型不断涌现，传统强度设计方法已难以完全适配其在极限工况下的力学需求^[1]。国际海事组织及劳氏、美国船级社等对船体极限强度的规范要求日益严格，进一步推动学界与业界深入探究极限强度与设计参数之间的内在关联，为船体安全设计提供理论支撑与技术依据。

国外对船体极限强度的研究起步较早，早期以简化理论为核心，Smith于1977年提出的船体极限强度计算方法，奠定了极限强度的分析基础。20世纪末以来，有限元法在非线性极限强度仿真中广泛应用。近年来，研究焦点逐渐转向新材料如高强度钢、复合材料对极限强度的影响机制，以及极端海况下动态极限载荷的量化模型构建，形成从理论到应用的完整研究体系^[2]。国内对船体极限强度的研究始于20世纪90年代，初期主要聚焦经典理论的本土化应用，如基于Smith法的改进算法开发，并在大型船舶极限强度试验如渤海油田工程船实船测试中取得阶段性成果。近年来，在极地船、LNG船等特种船型的极限强度设计领域形成特色研究成果，部分成果已纳入中国船级社规范体系。张平等^[3]提出铝合金悬挂式整体壁板板格的极限强度计算方法研究，对船舶结构详细设计阶段的局部加强结构优化与焊接工艺适配性分析具有重要参考价值。焦鑫晨^[4]对极地船舶在冰撞载荷及挤压作用下的局部极限强度进行了研究，聚焦极地船舶在低温及冰载荷环境下的船体结构极限强度，通过研究钢材本构模型、箱型梁与海冰碰撞仿真、S-ALE流固耦合分析及初始缺陷船体的受力情况，探究温度、航速、冰厚等因素的影响，旨在为极地船舶设计提供参考。郝金凤等^[5]通过对型油船和型散货船的极限强度分析，探讨了极限强度的控制因素及提高船体极限弯矩能力的措施，认为在船舶整体结构设计中需要有效控制结构重量，避免因极限强度要求导致构件尺寸不必要增加。

当前船体极限强度研究及应用中仍存在诸多亟待解决的问题。现有极限强度计算模型多基于简化假设，往往忽略结构局部屈曲与整体失效的耦合效应，导致计算结果与实际船体破坏模式存在偏差，易造成设计冗余过大或安全储备不足。本文以揭示极限强度对船体整体设计的关键影响路径为核心目标，旨在提出兼顾安全性与经济性的设计优化思路，提出基于极限强度的优化设计策略。

1 极限强度对船体设计的关键影响维度

极限强度对船体结构布局设计的影响贯穿于整体构型的各个关键环节。主船体剖面的优化需重点考量甲板、舷侧与船底的厚度分布规律，以及纵骨间距与极限弯矩的动态匹配关系，确保在极端载荷下剖面整体承载能力不发生突发性失效。首尾结构作为直接承受波浪冲击的关键区域，其强化设计需聚焦艏柱曲率半径、防撞舱壁支撑形式等参数，以抵御瞬时冲击载荷对结构完整性的破坏。舱室划分中，水密舱壁的数量与布设位置则直接影响船体在搁浅等极端工况下的极限抗沉性，通过合理的空间分隔为结构整体承载提供冗余支撑。

材料选型与性能设计的科学性，需与船体极限强度需求形成深度适配。材料强度等级的选择需区分场景：普通钢如AH36适用于载荷相对平稳的船体中段，而高强度钢如EH40则更适配首尾等极端载荷集中区域，但需同步考量焊接过程对其极限强度的削弱效应。

极限强度通过载荷工况定义与安全裕度设计，进一步约束船体设计的边界条件。极端载荷的量化是设计的基础，需基于船舶航线特征与船级社规范，精准确定设计波高、碰撞速度、搁浅深度等参数的极限阈值，为强度校核提供基准。安全裕度系数的设定需在安全性与经济性间寻求平衡，如规范中1.15倍极限载荷的储备要求，既需避免过度保守导致的资源浪费，又要防止储备不足带来的安全风险。

极限强度与船体重量、经济性之间存在显著的耦合关系，其平衡机制是设计优化的核心。强度冗余与船体重量间存在天然矛盾：过度强化结构以提升极限强度，往往导致船体重量增加。有数据显示，极限强度储备每提升1%，船体重量约上升0.8%，这一变化直接影响船舶航速与燃油消耗效率。从全生命周期成本视角看，极限强度不足可能引发高昂的维修成本，如结构修复费用；而基于极限强度的优化设计虽可能增加制造成本，但通过降低失效风险与延长服役寿命，可实现长期经济效益的提升，二者的量化对比为设计决策提供重要依据。

2 基于极限强度的船体整体优化设计方法 2.1 极限强度计算方法

船体极限强度是指结构在极端载荷作用下，发生塑性变形、屈曲或断裂前所能承受的最大承载能力，是衡量船体安全的临界阈值。其核心特征体现在3方面：1）非线性特性，表现为材料塑性流动与几何大变形的耦合效应，当载荷超过弹性极限后，结构响应不再遵循线性叠加规律；2）多因素耦合性，其承载能力受载荷类型、结构形式、材料性能的共同制约；3）层级关联性，与总纵强度、局部强度形成递进关系——常规强度确保日常工况安全。

1）Smith法

目前极限强度计算以Smith法为代表，通过将船体剖面离散为若干板元与骨材，基于各构件的极限应变建立总纵极限弯矩计算模型，图1为Smith法计算极限弯矩流程图。

Smith法计算的核心公式为：

$ {\boldsymbol{M_u}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{\sigma _{u,i}}} \cdot {A_i} \cdot {y_i}。$

(1)

式中：M_u为极限弯矩；σ_u,i为第i个构件的极限应力；A_i为构件截面积；y_i为构件到中和轴的距离。

Smith法计算的基本流程：首先完成剖面参数定义、构件离散及材料特性确定等准备工作，随后进入迭代计算环节，计算各构件应力，判断构件是否屈服，对屈服构件进行刚度修正，若未屈服则直接进入弯矩增量调整，每次调整弯矩增量后重新计算应力，直至通过“到达极限状态”的判定，最终输出极限弯矩。这一流程通过逐步加载模拟结构受力过程，精准捕捉船体从弹性变形到塑性失效的极限承载能力，为船体总纵极限强度分析提供了系统化的计算框架，是船舶结构设计中评估极限弯矩的经典方法。

2）数值仿真法

数值仿真方法也是目前常用的方法，依托有限元技术实现非线性分析，关键在于构建精准的材料本构模型与边界条件^[6]。以Ansys或Abaqus为例，通过定义材料屈服准则、设置接触关系，可模拟极端载荷下结构的屈曲、撕裂等失效模式，图2为某集装箱船船体Ansys有限元应力分析模型，通过该模型可直观呈现船体应力分布状态。模型中红色区域代表高应力集中部位，多位于甲板开口边缘、舱壁转角等载荷敏感区域，这些区域在极端工况下承受显著应力，是船体结构的薄弱环节。Ansys有限元应力分析能精准捕捉应力集中特征，为设计优化提供可靠依据，在船体设计过程中，针对红色高应力区，需调整纵骨间距、板材厚度等结构参数，或优化材料选型，确保其应力水平不超过材料极限强度。

2.2 基于极限强度的设计优化策略

1）初步设计阶段

采用Smith法构建总纵剖面简化模型，对10⁴ t级散货船的甲板厚度、纵骨间距等参数开展敏感性分析。如图3所示，外板厚度与极限弯矩呈正相关关系：当舷侧外板厚度从20 mm增至25 mm时，极限弯矩从532.7 kN·m提升至793.5 kN·m，增幅达49%。基于此分析，筛选3～5组候选方案，为详细设计阶段的结构优化提供量化依据，奠定船体极限强度设计的初步基础，确保通过参数调整满足极限载荷需求，实现结构性能优化提升。

2）详细设计阶段

在详细设计阶段，首先需依托初步设计确定的候选方案，进一步细化船体结构模型，将构件的具体连接方式、焊缝形态、局部加强区域等细节完整纳入模型构建中。同时，采用高精度数值分析手段，模拟船舶在各种典型航行状态与装载条件下的受力情况，深入追踪结构从局部构件屈曲到整体失稳的全过程演变，精准识别可能引发整体强度下降的薄弱环节，并结合实际建造工艺，对结构细节进行适配性调整，确保设计方案在施工中能够稳定实现。

在此基础上，严格参照船舶行业相关规范与标准，对设计方案开展全方位验证。不仅要核查整体极限强度是否达标，还要细致校验局部应力分布的合理性、关键部位的疲劳耐受能力等指标，同时兼顾材料用量、施工周期等经济性因素，通过多轮模拟与优化，在保障结构安全性能的前提下，实现设计方案在技术可行性与经济合理性之间的最佳平衡，最终形成可直接指导施工的精准设计方案。

3）实船验证阶段

在初步设计的参数分析和详细设计的仿真优化基础上，实船验证阶段通过搭载传感器采集实际运行数据，对设计进行最终校准。

图4为实船应力监测的对比曲线，其中实线为有限元仿真应力值，虚线为实船实测应力值。从曲线变化可知，在0～10 s内，二者应力波动趋势高度吻合：无论是初始阶段的高频小幅波动，还是中期的应力峰值变化，亦或是后期的应力衰减过程，仿真值与实测值都紧密贴合，几乎重合的曲线形态验证了有限元仿真模型对实船复杂工况下应力响应的精准模拟能力。

实测与仿真的高度一致性证明了设计过程中对载荷工况、材料性能以及结构布局的综合考量，完全契合实船的实际力学响应规律。通过理论与实测的闭环反馈，确保船体结构设计既满足极限强度要求，又兼顾工程可行性，有效提升了船体结构在复杂海洋环境下的安全性能与服役可靠性。

基于图4的测试结果，对船体结构材料厚度进一步优化，图5为船体结构材料厚度的优化前后对比。通过拓扑优化，应力集中的纵向0附近横向区域厚度显著增加，低应力区域厚度适度减薄。优化前中间区域厚度约15～17 mm，优化后提升至17～20 mm，增强关键部位承载能力；边缘区域厚度从13～15 mm调整为13～16 mm，减少材料冗余。该设计基于极限强度需求，利用算法调整材料分布，在满足船体极限强度的同时降低总重量，体现拓扑优化在船体结构设计中的应用。通过强化高应力区、精简低应力区，实现安全性与经济性的平衡，为船体极限强度驱动的设计优化提供直观的材料分布改进示例，支撑从理论计算到工程实践的结构性能提升。

3 结　语

本文研究船体结构极限强度对保障船舶在复杂海洋环境中航行安全、适配大型化与多功能化新船型发展需求具有重要意义。其应用场景广泛覆盖大型散货船、超大型集装箱船、极地科考船等各类船型，可有效应对巨浪冲击、碰撞、搁浅等极端载荷下的结构安全问题。研究表明，Smith法与有限元数值仿真结合能精准计算船体极限强度，为设计参数优化提供可靠依据；同时，初步设计、详细设计与实船验证的三级递进流程，可实现船体结构安全性与经济性的平衡，为船舶极限强度驱动的设计优化提供了系统解决方案。