基于腐蚀、疲劳损伤下船体结构可靠性研究现状与展望分析

基于腐蚀、疲劳损伤下船体结构可靠性研究现状与展望分析

孙志冬

（上海江南长兴造船有限责任公司上海市201913）

摘要：近年来，随着我国制造业不断发展、船舶需求不断增加，船舶制造和维护等行业也随着之展。在船舶的使用过程中，由于受到海洋环境和生物环境的作用，船体结构会受到腐蚀作用的影响和船体结构本身疲劳损伤的影响。随着影响的不断扩大，相关行业也开始了对腐蚀和结构疲劳损伤对船体结构造成的破坏，并对两者共同作用下的船体结构的可靠性进行深入研究，但是当前的研究仍存在着一些问题和缺陷。本文通过对腐蚀和结构疲劳损伤影响下的船体结构进行深入分析，说明当前对于该问题的研究现状以及相关成果，并总结出存在的一些问题和对相关问题研究的发展方向，希望有助于相关问题的研究、促进我国船舶行业的发展。

关键词：船体结构；腐蚀、疲劳损伤

引言

随着经济全球化进程不断加快，我国与世界其他国家的贸易往来更加频繁，海运以其运量大、运费低的优势成为大宗货物的主要运输方式。而由于海洋环境复杂、海水成分多样，在船舶使用一定时间后，船体结构会受到腐蚀、船体疲劳损伤等影响，使船体结构遭到破坏大大减少了船舶的使用寿命，甚至会使船舶损伤造成事故。相关统计结果表明，腐蚀、疲劳已经成为当前船体破坏的主要因素，并且对于船体结构的破坏具有普遍性、广泛性、隐蔽性、时变性等特点。在开展船体结构的可靠性时必须考虑腐蚀、疲劳等损伤形式对于船体的影响。本文结合当前的研究形势，对腐蚀、疲劳损伤共同作用下对船体结构可靠性的影响进行分析，为今后的相关研究工作奠定基础。

一、船体结构的腐蚀和疲劳损伤

（一）船体结构腐蚀

腐蚀是船体结构损伤的主要形式，腐蚀对船体的破坏具有隐蔽性和时变性的特点。船体结构腐蚀的成因相当复杂，不仅与海洋环境、气候环境、生物环境等具有密切关系，还与船舶结构的材料、制造工艺、结构设计等具有非常密切的联系。船体结构的腐蚀主要分为整体腐蚀和局部腐蚀两大类。其中整体腐蚀分布比较均匀随着船舶使用时间而逐渐加深，对船体结构影响相对较小；而局部腐蚀主要表现为点腐蚀，点腐蚀与均匀腐蚀相比对船体结构的危害更大。甚至对船体关键结构发生作用，使船体关键点承受能力减弱造成船体结构损伤。并且，外国的相关研究机构根据船舶工作环境、船体结构等因素构建了计算船体结构复试的模型，对船体服饰程度进行计算。当前主要的腐蚀模型有点蚀时变模型和均匀腐蚀时变模型[1]。

（二）船体结构疲劳损伤

在海洋中由于波浪高度不同，船体结构承受的载荷也在时刻变化，船体结构长期处于交变应力状态，这就导致船体结构因疲劳而产生损伤，其中最突出的就是船体节点结构疲劳而造成的损伤。而疲劳损伤的表现形式主要有两种，一是船体因板材疲劳而造成的船体折断，二是由于川谷断裂而导致的船体局部结构破坏。

而为了保证船舶航行安全对于船体结构疲劳程度也有相关的计算方法，其中主流的方法就是基于S-N曲线和疲劳损伤累计理论进行的。

二、对于船体结构腐蚀、疲劳损伤后可靠性的研究现状

当前，海上船舶数量日趋增多，各国的船级社和相关行业更加重视腐蚀、疲劳损伤对船体结构可靠性的影响，并且已经开始尝试建立统一的评测标准。而如何计算损伤后的船体结构抗力性、是对损伤后船体结构可靠性分析的关键。目前对于船体结构可靠性研究的重点业主要在这些方面。

（一）腐蚀后船体结构的可靠性

通过对船体结构在腐蚀状态下损伤的研究，已经确立了船体结构在腐蚀影响下的破坏模式和船体所能承受的极限状态的计算方法，这对计算腐蚀损伤下船体结构的可靠性的测算、评估奠定了良好的基础。

（二）疲劳损伤后船体结构的可靠性

对船体结构疲劳强度的评估师开展疲劳损伤下，船体结构可靠性分析研究的前提和基础。当前国内外专家通过对船体结构的不同和船体结构材料的承受范围提出了相关的计算方法和计算原理，也有外国的专家学者利用相关模型使用计算机软件进行模拟计算。

其中，孙九龙基于S-N曲线疲劳损伤累计理论，对船体结构进行可靠性分析具有代表性。其推导出的计算公式如下：

但是，此计算方法在裂纹扩展寿命评估等方面还具有一定的局限性。

（三）腐蚀、疲劳损伤共同作用对船体结构可靠性的影响

对于船体结构腐蚀、疲劳损伤作用影响下的可靠性评测还存在着一些问题，但是国内外很多学者仍然对腐蚀、疲劳损伤作用下的船体结构的可靠性进行了分析研究，并且已经取得了一些成果。

其中Akpan等人将腐蚀、疲劳损坏所造成的作用、影响综合分析，并制作出时变随机模型对船体结构可靠性进行评估。，Câmara等基于美国ABS对船体梁极限强度的计算方法，分别采用蒙特卡罗模拟法和S-N曲线及断裂力学法对船体结构腐蚀、疲劳损伤下的时变可靠性进行了计算。国内很多学者也对此进行了研究。我国对于腐蚀和疲劳损伤共同作用下的船体结构可靠性的分析主要是将疲劳损伤所产生的影响叠加到腐蚀影响中，但是目前还没有较为明确的研究报告发布。

（四）现阶段存在的问题

虽然，当前对于腐蚀、疲劳损伤交互作用下船体结构的可靠性评估已经开始在相关工程中被使用，但是评估计算方法依然不够完善，还有大量问题没有解决。

其中，在进行腐蚀作用下，船体结构可靠性分析模型的选用至关重要，但是当前使用的腐蚀时变模型并没有对船舶保养维护问题进行研究，并且大多数模型是根据船体结构材料的服饰数据进行的模型建造，在船舶实际使用中与此存在着很大差距。此外，点蚀作用对于船体结构的破坏非常大，但是在当前的分析研究中很少提及，所以关于腐蚀最用对船体结构可靠性分析的评估方法仍需要进一步完善。

而在现实研究中，对于实际的船体结构数据收集非常有限，大多数船体结构可靠性评估还是基于传统的数据进行，所以与实际情况有所差异，船体数据的精确收集工作还需要深入。

三、相关研究的展望

通过对当前的腐蚀、疲劳损伤对船体结构可靠性影响的梳理，可以发现对船体结构的可靠性分析从单一的因素影响到多方面因素共同作用影响分析，由点到线、由潜入深不断完善。随着科学技术的进步，对于船体结构的设计更加完善，对于环境对船体结构的数据采集更加精确，对于各种因素对船体结构可靠性影响的研究也会更加深入、完善[2]。

总结

船体结构可靠性分析关系着船舶运输安全，对交通运输、经济发展、海军军事装备研究等都具有重要的作用，必须得到重视。希望本文能够对相关领域产生作用，促进我国军用、民用船只安全性不断提高。

参考文献

[1]王燕舞.崔维成.考虑腐蚀影响的船舶结构可靠性研究现状与展望[J].船舶力学，2007，11（2）307-320

[2]冯国庆，胡冰楠。吴明远等.随机腐蚀船体板结构极限强度分析[J].华中科技大学学报（自然科学版），2015，43（12）：76-81.

作者简介

孙志冬（1984-12），男，汉族，籍贯：江苏省射阳县，当前职务：副主任，当前职称：助理工程师，学历：大专，研究方向：船体结构建造检验。