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Analysis of the reliability of the ship structure船舶結(jié)構(gòu)可靠性分析研究綜述 研 究 領(lǐng) 域： 船舶與海洋工程（專(zhuān)碩） 姓 名： 鄧英杰 學(xué) 號(hào)： 2015085223012 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(lái)的一門(mén)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

2、 前言傳統(tǒng)的船舶結(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，這與實(shí)際不符，傳統(tǒng)的確定性設(shè)計(jì)已不能滿(mǎn)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(zhuān)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(lái)。目前，世界各大船級(jí)社都在

3、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(lái)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(wèn)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(xiàn)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)算中應(yīng)用的大多是線(xiàn)性理論。隨著研究的深入和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

4、的增加, 波浪載荷的非線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(chēng)為“兩步走”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

5、為彈性體，把水動(dòng)力作為激勵(lì)求解振動(dòng)響應(yīng)。 后來(lái)，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(xiàn)性水彈性法擴(kuò)展到二維非線(xiàn)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(lái)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

6、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(lèi)：線(xiàn)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M(jìn)ansor分析了極限載荷下船體的非彈性屈曲和過(guò)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(xiàn)性行為來(lái)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)

7、, 進(jìn)行了船體梁的總縱強(qiáng)度可靠性分析。近年來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力模型的研究進(jìn)一步加強(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(lái)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^不確定性可用均值、標(biāo)準(zhǔn)差和分布形式來(lái)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(kāi)法、蒙特卡洛法等。近年來(lái)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

8、。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(lái)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(lái)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)確定結(jié)構(gòu)的失效概率：其中F是失效域。一般來(lái)說(shuō)的形式比較復(fù)雜，對(duì)于多維問(wèn)題甚至不能

9、用積分方法求得，所以必須尋找一些近似的方法。 現(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(lái)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(guò)通過(guò)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(lèi)比法”或“校準(zhǔn)法”來(lái)確定目

10、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，目前主要采用法和分支邊界法。法雖然展開(kāi)計(jì)算量小，但理論上不能保證所有主導(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?yàn)樗褂玫木唧w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)

11、完好無(wú)損的船體結(jié)構(gòu)，然而，船體在使用過(guò)程中不可避免地受到多種損傷，如腐蝕、變形、開(kāi)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. Probability of Failture for Weibull Load and Normal Strength. Report No.69-28-5,Dert Norske Veritas,19692 Stiansen S G,et al.Reliability Methods in Ship Structures.Trans. RINA, 1980,Vol.1223 Wu Yousheng. Hydroelasticity of Floating Bodies. 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. 上海交通大學(xué)科技交流室, 1