船舶結(jié)構(gòu)可靠性分析

1、大連海洋大學(xué)船舶結(jié)構(gòu)可靠性分析An alysis of the reliability of the shi p structure船舶結(jié)構(gòu)可靠性分析研究綜述口號(hào):2015085223012研究 領(lǐng)域：船舶與海洋工程（專碩）名:鄧英杰船舶結(jié)構(gòu)可靠性分析研究綜述摘要：結(jié)構(gòu)可靠性理論是60年代后才發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論與計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)的一個(gè)新分支，具有工程實(shí)踐 和船舶安全評(píng)價(jià)的重大意義。 本文就船舶結(jié)構(gòu)可靠性分析近代的 發(fā)展做了總結(jié)性的綜述，從載荷、承載能力、可靠性分析方法三 個(gè)角度出發(fā)，并對(duì)其今后的研究方向提出了建議。關(guān)鍵詞：船舶結(jié)構(gòu)；可靠性；船舶安全評(píng)價(jià)；分析方法1刖言傳統(tǒng)的船

2、舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法采用的是確定性方法，將船體這與載荷和材料力學(xué)特性等諸多因素都看做是確定性的單值量， 實(shí)際不符，傳統(tǒng)的確定性設(shè)計(jì)已不能滿足現(xiàn)代船舶發(fā)展的需求，而采用概率統(tǒng)計(jì)的方法相比之下更為合理，進(jìn)而誕生了船舶結(jié)構(gòu) 可靠性分析這一學(xué)科。1969年，挪威學(xué)者Nordenstrom【1】發(fā)表船舶結(jié)構(gòu)分析 里程碑的一篇文章，率先將波浪載荷和船舶總縱強(qiáng)度的承載能力看做是隨機(jī)分布的變量，進(jìn)而分析船體的失效概率。1972年，美國(guó)學(xué)者對(duì)船體總縱強(qiáng)度的概率模型進(jìn)行了系統(tǒng)的專題研究， 船 舶結(jié)構(gòu)可靠性分析理論得到了進(jìn)一步的發(fā)展。上個(gè)世紀(jì) 80 年代中期，船舶可靠性分析方法已經(jīng)建立了起 來。目前，世界各大船級(jí)社都

3、在制定以可靠性分析為基礎(chǔ)的船舶 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)則。2 載荷對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)， 靜水載荷和波浪載荷是兩種主要的載荷形式。波浪載荷的理論計(jì)算是基于上個(gè)世紀(jì) 50 年代末的切片理論 建立起來的。 80 年代后期，人們對(duì)波浪載荷的研究增加了許多 新的內(nèi)容。 S.G.Stiansen 【2 】提出了波浪載荷的概率模型，研 究了低頻相應(yīng)和高頻效應(yīng)的概率組合問題； 美國(guó)學(xué)者 C.G.Soares 從當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平出發(fā)， 提出了一個(gè)船舶波浪載荷效應(yīng)的可靠性 分析標(biāo)準(zhǔn)模式。 該方法的創(chuàng)新性在于， 在線性切片理論計(jì)算船體 波浪彎矩的基礎(chǔ)之上， 將高頻載荷以經(jīng)驗(yàn)性影響因子的形式與低 頻波浪彎矩組合。在早期 , 波浪載荷計(jì)算

4、中應(yīng)用的大多是線性理論。隨著研究 的深入和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的增加 , 波浪載荷的非線性性質(zhì)引起了人們 的關(guān)注。大量的實(shí)船測(cè)量和船模試驗(yàn)表明 , 行駛在洶濤中的高速 艦船 , 由于船體的非直舷 , 以及底部砰擊、外張砰擊和甲板上浪 等因素的影響 , 導(dǎo)致艦船的運(yùn)動(dòng) , 特別是波浪載荷呈明顯的非線 性。這時(shí) , 在規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)不再具有簡(jiǎn)諧性質(zhì) , 中垂波浪彎矩 幅值明顯大于中拱時(shí)的幅值。加突出的是 , 由于底部砰擊和外張砰擊 , 使船體剖面內(nèi)出現(xiàn)高頻振動(dòng)彎矩。這種彈性振動(dòng)是一種瞬 態(tài)響應(yīng) , 在高海況下 , 兩者迭加而成的中垂合成彎矩幅值將遠(yuǎn)大 于線性理論的計(jì)算結(jié)果。為了計(jì)算砰擊振動(dòng)彎矩，一種被稱為“兩

5、步走”的方法被廣 泛使用，即先在剛體假設(shè)下計(jì)算船體運(yùn)動(dòng)和作用在其上的水動(dòng)力， 而后再將船體視為彈性體，把水動(dòng)力作為激勵(lì)求解振動(dòng)響應(yīng)。后來，又出現(xiàn)了考慮船在波浪中運(yùn)動(dòng)整體性的水彈性力學(xué)方 法，并將該理論將規(guī)則波擴(kuò)展到不規(guī)則波， 由二維線性水彈性法 擴(kuò)展到二維非線性。 然而，由于二維理論只適應(yīng)于細(xì)長(zhǎng)的單體船， 所以后來又出現(xiàn)了三維勢(shì)流理論，由吳有生【 3】于 1984 年提 出。以往大多數(shù)船舶可靠性分析文獻(xiàn)都是把波浪載荷按照切片理論確定，卻未考慮砰擊載荷。我國(guó)學(xué)者戴仰山【4】提出了一 種新的載荷組合模型： 將低頻波浪彎矩和砰擊振動(dòng)彎矩在時(shí)域內(nèi) 對(duì)應(yīng)疊加， 利用合成彎矩幅值的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行擬合， 求得可

6、靠性分 析中總彎矩的概率分布。靜水載荷效應(yīng)的研究比較少， 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)一般將其視為確定量。上個(gè)世紀(jì) 90 年代人們研究發(fā)現(xiàn)，由裝載狀態(tài)決定靜水剪力、彎 矩等在船舶營(yíng)運(yùn)中呈現(xiàn)隨機(jī)變化的特性。 目前，靜水載荷一般取 為正態(tài)分布，用于其統(tǒng)計(jì)特征的方法大致分為 3 類：線性規(guī)劃法、 計(jì)算機(jī)模擬法、統(tǒng)計(jì)資料法。3 結(jié)構(gòu)承載力承載能力與結(jié)構(gòu)失效模式緊密相關(guān)。 早期船舶總縱強(qiáng)度的可 靠性分析中， 失效模式主要限于中垂時(shí)的甲板屈曲， 中拱時(shí)的甲 板板架屈服。 外國(guó)學(xué)者 Mansor 分析了極限載荷下船體的非彈性 屈曲和過渡屈服失效模式；上海交大桑國(guó)光【 5 】等分別對(duì)船體 梁的屈曲失效、 甲板板架屈曲失效和甲板板

7、格屈曲失效等模式進(jìn) 行了研究。日本學(xué)者采用理想結(jié)構(gòu)單元法考慮初始變形、 殘余應(yīng)力以及 單元的非線性行為來確定船舶極限縱強(qiáng)度作為船體結(jié)構(gòu)的承載 能力 , 用常規(guī)方法計(jì)算載荷效應(yīng) , 進(jìn)行了船體梁的總縱強(qiáng)度可靠性分析。近年來對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力模型的研究進(jìn)步加強(qiáng)。船舶結(jié)構(gòu)失效模式包括了疲勞破壞、 扭轉(zhuǎn)破壞、局部強(qiáng)度破壞及自然損耗等。結(jié)構(gòu)承載力也是隨機(jī)變量， 影響它的基本隨機(jī)變量包括： 模 型不確定性；機(jī)械材料性能、構(gòu)件尺寸、結(jié)構(gòu)尺寸等。模型不確 定性一般用一個(gè)模型不確定系數(shù)來表示， 為真實(shí)強(qiáng)度 （試驗(yàn)值或 理論值）與建議公式所計(jì)算的值的商。在可靠性分析中，可以將其看作一個(gè)附加的隨機(jī)變量?？陀^不確定性可用

8、均值、 標(biāo)準(zhǔn)差和分布形式來描述，針對(duì)它們對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響的常用的方法有 Taylor 展開法、蒙特卡 洛法等。近年來對(duì)海上結(jié)構(gòu)物裕度衡準(zhǔn)的研究在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注。 結(jié)構(gòu)裕度包括結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)備強(qiáng)度和剩余強(qiáng)度。 結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)備強(qiáng)度是設(shè)計(jì) 載荷與結(jié)構(gòu)可承受的極限載荷之間的裕量。 剩余強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 在某些構(gòu)件受損或失效后能繼續(xù)承受一定外載荷而不遭破壞的 能力。近年來傾向于將結(jié)構(gòu)裕度定義為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的剩余強(qiáng)度 , 而儲(chǔ)備強(qiáng)度在確定性分析中體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的安全系數(shù),在概率分析中 則用結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率來表達(dá)。4 可靠性分析方法根據(jù)失效模式 , 可靠性分析方法可分為部件可靠性和系統(tǒng) 可靠性。 部件可靠性的計(jì)算方法大致可

9、分為全概率方法、 一階二 次矩法、二階法、數(shù)值模擬法和第一水平法。全概率方法是可靠 性分析中最嚴(yán)密和最一般的方法 , 它利用全部基本隨機(jī)變量的完整聯(lián) f x1, ,xn 確定結(jié)構(gòu)的失效概率：Pff x1, ,xn dx1 dxn, F其中 F 是失效域。一般來說 f x1, ,xn 的形式比較復(fù)雜，對(duì)于多維 問題甚至不能用積分方法求得，所以必須尋找一些近似的方法?，F(xiàn)存的近似計(jì)算方法有一階二次矩法、 二階法和模擬法。 模 擬法早期僅限于蒙特卡洛模擬法 , 后來發(fā)展出一些可以減少模 擬偏差的模擬法 , 如層理法、重要性樣本法、改進(jìn)樣本法和公共 變量法等。其中重要性樣本法和一階二次矩法的結(jié)合顯示出較

10、好 的應(yīng)用前景。C.G.Bucher 【 6】提出了一種快速有效的可靠性解法響應(yīng) 面法，通過通過綜合運(yùn)用多項(xiàng)式擬合、重要性樣本法 , 并同有限 元方法相結(jié)合 , 可使之應(yīng)用于大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)可靠性分析中?？煽啃苑治鲋幸残枰獙?duì)結(jié)構(gòu)失效概率或安全指數(shù)規(guī)定一個(gè) 最低必須達(dá)到的安全水準(zhǔn)目標(biāo)可靠性指標(biāo)。 目前，在土木工程 中一般采用“類比法”或“校準(zhǔn)法”來確定目標(biāo)可靠性指標(biāo)。我 國(guó)學(xué)者郭昌捷【 7】則對(duì)艦船縱向彎曲強(qiáng)度目標(biāo)可靠性指標(biāo)進(jìn)行 了初步探討。為了研究船舶結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度， 也就是某一構(gòu)件失效時(shí)不至 于導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的失效，目前主要采用p法和分支邊界法。B法雖然展開計(jì)算量小，但理論上不能保證所有主

11、導(dǎo)失效模式;分支邊界法雖然相對(duì)嚴(yán)格些，但計(jì)算量比較大。另外，目前比較新的船舶結(jié)構(gòu)可靠性分析法有隨機(jī)有限元法 和模糊優(yōu)化法等。5 對(duì)今后研究方向的建議船舶結(jié)構(gòu)可靠性分析已經(jīng)發(fā)展了將近 50 個(gè)年頭，然而，因 為所使用的具體方法的不同，計(jì)算結(jié)果甚至?xí)嗖顜讉€(gè)數(shù)量級(jí)， 為此，在深入研究的同時(shí)，應(yīng)向工程實(shí)際轉(zhuǎn)化，提出一個(gè)統(tǒng)一合 理的船舶結(jié)構(gòu)可靠性分析指標(biāo)。另外，目前可靠性研究主要是針對(duì)完好無損的船體結(jié)構(gòu)， 然 而，船體在使用過程中不可避免地受到多種損傷， 如腐蝕、變形 開裂、材料老化等。損傷是一個(gè)隨機(jī)事件，因此“剩余強(qiáng)度”的 概率研究是一個(gè)值得嘗試的方向。參考文獻(xiàn)1 Nordenstrom N.Pro

12、babilityof Failture for WeibullLoad and NormalStrength.Report No.69-28-5,DertNorskeVeritas,19692 Stiansen S G,et al.ReliabilityMethodsin ShipStructures.Trans. RINA, 1980,Vol.1223 Wu Yousheng. Hydroelasticityof FloatingBodies.Ph.D. Thesis, Brunel University, U.K., 19844 戴仰山等 . 確定作用于船體上的總載荷極值 . 哈爾濱船舶工程學(xué)院學(xué)報(bào) , 1988.9.25 桑國(guó)光等 . 甲板板架屈曲的可靠性分析 . 上海交通