腐蚀损伤下船体总纵极限强度可靠性分析方法探讨

腐蚀损伤下船体总纵极限强度可靠性分析方法探讨

吴德辉

佛山航道事务中心顺德航标与测绘所

摘要：近些年，石油成为各国竞争的核心。为满足未来发展对能源的需求，各国开始将资源开发投入到海洋，最早海洋石油开采工具为浮式生产储油船，这种船舶容积大，可以直接对开采出来的油气采取水分离处理，现已成为海洋石油主要形式。对此，在腐蚀损伤下船体结构安全性评价、总纵极限强度可靠性分析得到了重视，值得进一步研究。

关键词：腐蚀损伤；船体；总纵极限强度；可靠性分析；方法研究

目前，船体结构安全评价以确定性方法为主，确定性评价难以充分反映不确定因素使得船体强度状态评价结果的置信水平较低。上世纪末，伴随着数理统计的发展，概率理论的船体结构可靠性分析区域成熟。现阶段，以往可靠性理论船体结构可靠性分析获得了企业的认同。不过，因为样本要求严格，以往可靠性理论在腐蚀损伤下的船体结构可靠性评价受到限制。所以，科学且更高的评价方法评价理论有待进一步分析。

一、腐蚀损伤下FPSO船体结构可靠性分析

伴随着传播力学的发展，以往确定性方法已经落后传播结构力学发展，可靠性分析法现已得到了广泛应用，尤其在船体结构分析汇总。结合可靠性原理可知，不管任何一种结构形式都有失效性，结合失效概率掌握结构可靠性。确保研究目标在既定范围与使用年限内达到要求功能的失效率，也就是结构可靠性分析具有可操作性、可行性。通过可靠性研究掌握承载力与结构变化对结构的制约性，保证研究目标处于安全状态。

（一）结构可靠性分析

结构可靠性原理为某些时间、环境下能够达到的功能的水平。结构可靠度可以反映水平状态，反之，若未达到我们即可判定为失效概率。当结构安全余量为随机变量函数时，利用直接积分法计算结构可靠性。但事实上因为存在的数据信息较多且具有不确定性，部分非正态变量无法直接获得可靠性，需要通过多种计算方法结合获得。

（二）可靠性计算方法

第一，直接积分法。其概念是将结构余量密度函数的多维积分看作有限区直接积分确定答案。其核心是获得余量联合密度、积分区规律状态、掌握精准的积分技术。由于计算过程较为复杂，可靠性分析不建议通过这种方法。第二，一次二阶矩方法。该方法中，各随机变量只采用均值与方差表示，等价于将所有的随机变量设置为正态分布。

（三）船体极限强度与统计特点

船体极限强度包含材料参数、弹性参数、板厚等函数，针对带有裂缝腐蚀损伤的船体剩余极限强度还需重视裂纹、腐蚀随机变量。由于船舶极限强度的函数关系具有复杂性特点，因而建议先获得随机变量参、变异参数。随后，采用随机抽样组合形式得出船体极限强度分布和均值、变异参数。想要确定极限强度状态，通过MonteCarlo法随机抽样技术参数模拟法。

二、船体结构腐蚀

（一）船体腐蚀特征

船艇结构腐蚀损伤包含总体腐蚀与局部腐蚀。其中，结构腐蚀中，船体各组件表示减薄地，各区域的构组件均匀腐蚀状态也有明显不同。例如：水线周围舷侧外板，底板和压载舱室腐蚀严重。其他部分组件有不同程度腐蚀，集中于污水舱、内底板、平台板位置。

（二）腐蚀评价

在腐蚀评价方法中，船体结构腐蚀和局部腐蚀程度不同。大面积腐蚀集中于构件腐蚀剩余评估腐蚀性。点蚀腐蚀按照密集度数值、点蚀体积评价损伤度。因为总体腐蚀评价经济效益显著且操作简单，所以采用该方法评价舰艇船体结构腐蚀损伤。

三、创建舰艇船体结构可靠性模型

（一）荷载计算

船体作业过程中，受静水玩具、波浪弯矩、抨击弯矩制约较大。静水弯矩不利于传播承载力提升，后两项阻碍船体航行、速度控制。本文主要选择波浪载荷和规范计算方法得到船体波浪弯矩。常规装载舰艇，船舯剖面位置组合弯矩计算公式为：Mu=Ms+Mw+Ms。组合弯矩分析会受到速度、波高制约，组合弯矩计算分为上下界。所以，组合弯矩可以用于舰艇结构可靠性分析的区间变量。

（二）船体结构抗力计算

根据船体抗力决定船体受外界荷载条件下抵抗失效受损水平，最小剖面模数为船体抗力主要标准。其原理是最小剖面参数不仅代表船体结构抵抗舰艇总纵弯曲变形状态，又可以衡量船体结构限度状态。根据标准要求，船体剖面组件腐蚀剩余厚度测量过程中，要求在各构件测量多个数量测点。因此，组件腐蚀剩余厚度是区间变形。

（三）结构失效方程

静水弯矩、波浪弯矩、抨击弯矩中，船体结构失效包含两种模式：第一，中拱下船底板结构受压屈曲损坏。第二，中垂甲板结构受压屈曲失去平衡。水面舰艇中，剖面与轴位置主要接近船底板，甲板失稳临界应力低于材料屈服强度。所以，舰艇总纵极限状态集中体现在中垂天甲板结构屈曲失效，也就是在甲板总纵弯曲压应力达到一定标准后，甲板结构失稳受损，船体承载力不断降低。受腐蚀损伤影响使得甲板结构失稳临界应力在既定范围变化。因此，甲板结构失稳临界应力也属于区间变量。

四、算例讨论

因为船舯剖面位置的总纵极限强度影响舰艇船体结构稳定性。所以，以舰艇的船舯剖面作为计算剖面。船长参参数为0.96，平均吃水2.30m、设计波高5.27m、设计航速29km、巡航航速27km、方形参数0.49。结合结构可靠性模型可知船体结构极限状态方程。采用确定性方法分析船体结构极限强度过程中，选择舰艇的设计水线长为计算波长。经过实践证明，不同方法下的舰艇状态评估中舰艇传统结构较为稳定，符合应用需求。确定性方法中，舰艇现时状态稳定性高出标准值4.68%。非概率可靠性理论舰艇现时状态可靠性标准高于标准值3.5%。非概率可靠性理论评价在役舰艇可靠性是可行的。从数据信息分析，非概率可靠性理论获得的评价结果符合要求。舰艇在服役时，航行海域海况变化不稳定，根据义波高八将海况分为0--9分，风浪等级：0级波高0，1级波高（0，0.1），2级波高[0.1，0.5），3级[0.5，1.25），4级[1.25，2.5），5级[2.5，4.0），6级[4.0，6.0），7级[6.0，9.0），7级[6.0，9.0），8级[9.0，14.0），9级[14.0，+∞）。确定性评价中，波长选择舰艇的设计长线长使得船体结构强度状态评价结果无法为舰艇的降航区应用提供基础支持。采取波浪荷载直接计算方法获得评价结果可弥补确定性评价方法不足。结合非概率可靠性获得舰艇初始设计与现时状态下船体结构可靠性伴随海况变化规律。

结语

第一，非概率可靠性理论分析只要得到随机变量区间即可，让腐蚀损伤下船体结构的可靠性分析在工程应用上具有可行性。第二，非概率可靠性理论评价更符合实际，可操作性较强。工程应用型较强且评价结果为腐蚀损伤下现役舰艇船体结构的降级提供技术支持。

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