doi: 10.52899/24141437_2026_03_333
УДК: 629.5.015.4

Прогнозирование предельной прочности неподкреплённых пластин судового корпуса при продольном сжатии: комбинированный подход на основе метода нелинейных конечных элементов и моделей, основанных на использовании данных. Часть 1. Разработка и подтверждение достоверности процедуры нелинейного конечно- элементного анализа

Ле Ч. ., Огай С. А.
Язык статьи: русский
Ссылка для цитирования: Ле Ч.Т., Огай С.А. Прогнозирование предельной прочности неподкреплённых пластин судового корпуса при продольном сжатии: комбинированный подход на основе метода нелинейных конечных элементов и моделей, основанных на использовании данных. Часть 1. Разработка и подтверждение достоверности процедуры нелинейного конечно-элементного анализа // Труды Санкт-Петербургского государственного морского технического уни- верситета. 2026. Т. 5, № 3. С. 333–343. DOI: 10.52899/24141437_2026_03_333 EDN: PVASMI

Аннотация

Актуальность. Оценка предельной прочности неподкреплённых пластин судового корпуса при продольном сжатии с учётом возможности разрушения вследствие пластической потери устойчивости является одной из ключевых задач обеспечения безопасности судов и морских сооружений судового типа на стадиях проектирования и эксплуатации. Нелинейный метод конечных элементов позволяет с высокой точностью моделировать сложные механизмы пластического коллапса и учитывать взаимодействие геометрических параметров, свойств материала и начальных несовершенств. Однако его применение для многовариантного анализа сопряжено со значительными вычислительными и временными затратами, что требует разработки надёжных и эффективных процедур численного моделирования.  Цель. Разработка комбинированного подхода, основанного на использовании данных и алгоритмов машинного обучения, для быстрого и точного прогнозирования предельной прочности длинных и широких неподкреплённых пластин при продольном сжатии, а именно: разработка и подтверждение достоверности процедуры нелинейного конечно-элементного анализа.  Методы. В рамках исследования детально проработаны все этапы конечно-элементного моделирования: определение геометрических и механических характеристик неподкреплённой пластины, выбор программного обеспечения и типа конечных элементов, задание размеров расчётной области, обоснование типа решателя, назначение граничных условий и условий нагружения, определение размера сетки конечных элементов, а также моделирование начальных геометрических несовершенств и остаточных сварочных напряжений. Достоверность разработанной процедуры подтверждена путём сравнения полученных результатов с эталонными данными из отчёта Комитета по предельной прочности Международного конгресса по конструкциям судов и морских сооружений (ISSC), а также с широко применяемыми в судостроительной отрасли эмпирическими формулами Faulkner (1975) и Frankland (1940).  Результаты. Разработанная процедура нелинейного конечно-элементного анализа продемонстрировала хорошее соответствие с данными ISSC для шести неподкреплённых пластин с различной толщиной. Полученные результаты подтверждают достоверность предложенной методики моделирования и её пригодность для генерации представительного набора данных, который может быть использован для обучения моделей машинного обучения.  Заключение. Представленная и верифицированная процедура нелинейного конечно-элементного анализа создаёт надёжную основу для прогнозирования предельной прочности неподкреплённых пластин. Она обеспечивает возможность формирования представительного набора данных, который является фундаментом для построения моделей машинного обучения, способных в перспективе существенно сократить вычислительные затраты при многовариантном анализе. Это особенно ценно на этапах предварительного проектирования и оценки эксплуатационной безопасности судов и морских сооружений судового типа. Ключевые слова: предельная прочность,продольное сжатие,неподкреплённые пластины,метод конечных элементов,начальные геометрические несовершенства,остаточные сварочные напряжения,ISSC,машинное обучение

Список литературы

1. Paik J.K., Seo J.K. Nonlinear finite element method models for ultimate strength analysis of steel stiffened-plate structures under combined biaxial compression and lateral pressure actions-Part I: plate elements. Thin-Walled Structures. 2009. Vol. 47, N 8. P. 1008-1017. doi: 10.1016/j.tws.2008.08.005.
2. Fujita Y., Nomoto T., Niho O. Ultimate strength of rectangular plates subjected to combined loading (1st & 3rd report) . Journal of the Society of Naval Architects of Japan. 1979. Vol. 145. P. 194-202. doi: 10.2534/jjasnaoe1968.1979.194.
3. Ueda Y., Yao T. The influence of complex initial deflection modes on the behaviour and ultimate strength of rectangular plate in compression. Journal of Constructional Steel Research. 1985. Vol. 5, N 4. P. 265-302. doi: 10.1016/0143-974X(85)90024-0.
4. Paik J.K., Pedersen P.T. A simplified method for prediction ultimate compressive strength of ship panels. International Shipbuilding Progress. 1996. Vol. 43. P. 139-157.
5. Cui W., Young Y., Pedersen P.T. Strength of ship plates under combined loading. Marine Structures. 2002. Vol. 15, N 1. P. 75-97. doi: 10.1016/S0951-8339(01)00009-0.
6. Dwight J.B., Moxham K.E. Welded steel plates in compression. Structural Engineer. 1969. Vol. 47, N 2. P. 49-66.
7. Max A.M.H. Simple design formulas for unstiffened and stiffened plates in uniaxial compression. Aarau, Switzerland: Consulting Engineers; 1971.
8. Becker H., Colao A. Compressive strength of ship hull girders. Part III: theory and additional experiments. 1977. 80 p.
9. Faulkner D.A. Review of effective plating for the analysis of stiffened plating in bending and compression. Journal of Ship Research. 1975. Vol. 19, N 1. P. 1-17. doi: 10.5957/jsr.1975.19.1.1.
10. Frankland J.M. The strength of ship plating under edge compression. US EMM report 469. 1940.
11. Ueda Y., Yasukawa W., Yao T., et al. Ultimate strength of square plates subjected to compression (1st Report). Journal of the Society of Naval Architects of Japan. 1975. N 137. P. 210-221. doi: 10.2534/jjasnaoe1968.1975.210.
12. Carlsen C.A. Simplified collapse analysis of stiffened plates. Norwegian Maritime Research. 1977. Vol. 5, N 4. P. 20-36.
13. Soreide T.H., Czujko J. Load carrying capacities of plates under combined lateral load and axial/biaxial compression In: The 2nd International Symposium on Practical Design in Shipbuilding (PRADS 1983). Tokyo and Seoul, Japan and Korea; 1983. P. 17-22.
14. Hughes O.F. Ship Structural Design: A rationallybased, computeraided, optimization approach. New York: WileyInterscience; 1983.
15. Smith C.S., Davidson P.C., Chapman J.C., Dowling P.J. Strength and stiffness of ships’ plating under inplane compression and tension. Royal Institution of Naval Architects Transactions. 1988. Vol. 130. P. 277-296.
16. Cui W., Mansour A.E. Effects of welding distortions and residual stresses on the ultimate strength of long rectangular plates under uniaxial compression. Marine Structures. 1998. Vol. 11, N 6. P. 251-269. doi: 10.1016/S0951-8339(98)00012-4.
17. Paik J.K., Thayamballi A.K., Lee J.M. Effect of initial deflection shape on the ultimate strength behavior of welded steel plates under biaxial compressive loads. Journal of Ship Research. 2004. Vol. 48, N 1. P. 45-60. doi: 10.5957/jsr.2004.48.1.45.
18. Kim D.K., Li S., Lee J.R., Poh B.Y., Benson S., Cho N.K. An empirical formula to assess ultimate strength of initially deflected plate: Part 1-propose the general shape and application to longitudinal compression. Ocean Engineering. 2022. Vol. 252. P. 111151. doi: 10.1016/j.oceaneng.2022.111151 EDN: XWJNXQ.
19. Xu M.C., Guedes Soares C. Numerical assessment of experiments on the ultimate strength of stiffened panels. Engineering Structures. 2012. Vol. 45. P. 460-471. doi: 10.1016/j.engstruct.2012.06.045.
20. ShalevShwartz S., BenDavid S. Understanding machine learning: From theory to algorithms. Cambridge University Press; 2014. 410 p. doi: 10.1017/CBO9781107298019.
21. Goodfellow I., Bengio Y., Courville A. Deep learning. MIT Press Cambridge; 2016. 800 p.
22. Shin D., Kim Y.Y. Data-driven approach for a one-dimensional thin-walled beam analysis. Computers & Structures. 2020. Vol. 231. P. 106207. doi: 10.1016/j.compstruc.2020.106207 EDN: UJKAES.
23. Paik J.M., Amlashi H., Boon B., et al. Committee III. Vol. 1: Ultimate Strength In: 18th International Ship and Offshore Structures Congress. Hamburg. 2012. P. 285-364.
24. Paik J.K., Thayamballi A.K. Ultimate limit state design of steel-plated structures. Chichester, UK: John Wiley & Sons; 2018. 544 p. doi: 10.1002/9781119367758.
25. The ABAQUS 6.81 user’s manual. USA: Dassault Systèmes Simulia Corp.; 2016. 894 p.
26. Rodrigues M.V. Probabilistic characterization of the ultimate strength of plates with initial geometrical imperfections. Lisbon, Portugal: Technical University of Lisbon; 2011. 107 p.
27. Yao T., Nikolov P.I., Miyagawa Y. Influence of welding imperfections on stiffness of rectangular plates under thrust. In: Karlsson K., Lindgren L.E., Jonsson M., editors. Proceedings of IUTAM Symposium on Mechanical Effects of Welding. SpringerVerlag; 1992. P. 261-268. doi: 10.1007/978-3-642-84731-8_26.
28. Yao T., Fujikubo M., Yanagihara D., Varghese B., Niho O. Influences of welding imperfections on buckling/ultimate strength of ship bottom plating subjected to combined biaxial thrust and lateral pressure. In: Proceedings of the International Symposium on Thin-Walled Structures. Singapore; 1998. P. 425-432.
29. Li S., Georgiadis D.G., Samuelides M.S. A comparison of geometric imperfection models for collapse analysis of ship-type stiffened plated grillages. Engineering Structures. 2022. Vol. 250. P. 113480. doi: 10.1016/j.engstruct.2021.113480 EDN: URWBBI.
30. Zhang S. A review and study on ultimate strength of steel plates and stiffened panels in axial compression. Ships and Offshore Structures. 2016. Vol. 11, N 1. P. 81-91. doi: 10.1080/17445302.2014.992610.