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考虑腐蚀影响船舶结构极限强度研究

王燕舞  
【摘要】: 腐蚀是导致老龄船舶结构失效的主要原因之一。自上世纪70年代末以来,考虑腐蚀影响的船舶结构极限强度研究日益受到理论界、工程界的重视。 目前,该方面课题研究重心已由讨论线性、非线性均匀腐蚀的影响逐步向评估局部腐蚀,尤其是点蚀影响的方向转移。但由于对点蚀成因、机理及其扩散机制的认识还不够完善,加之点蚀数据的缺乏,故迄今仍未有被普遍接受的合理、实用化的点蚀模型出现。且在各类型载荷作用下,受蚀构件蚀坑的几何要素,如:蚀坑深度、蚀坑直径、蚀坑形态等对构件极限强度的具体影响还存在诸多模糊、争议之处,有待进一步明晰。 有鉴于此,本论文以受腐蚀影响的船舶基本结构为研究对象,主要完成了以下几方面工作内容: (1)对本课题所涉及主要层面的研究现状,包括:碳钢、低合金钢海洋环境腐蚀;船舶结构腐蚀检测与数据处理;现有各类腐蚀模型;考虑腐蚀影响的极限强度与可靠性评估等,进行了简要综述。并对本领域今后研究工作的大致发展方向做出了基本判断。 (2)对影响船舶构件腐蚀的主要自然环境因素与营运因素进行讨论,研究并总结了共同结构规范中关于船舶结构腐蚀余量选取的理论基础与技术背景。在此基础上,提出船舶结构三级腐蚀数据库构想,并对其定义、划分、性能特征及组成要素等作了初步规划。这为今后相关规范条文的进一步深入研究与改进、建立适宜于我国海区及营运船舶实际情况的构件腐蚀数据库工作提供了参考。 (3)讨论了现有各类结构均匀腐蚀模型的合理性、拟合能力及其相应的适用范围;分析了不同船舶寿命下所选取腐蚀模型的不同对构件腐蚀余量的影响。通过实际算例,探讨并演示了船舶构件腐蚀余量选取的通用性处理方法。 (4)依据点蚀基本原理,对海水全浸条件下钢材的点蚀进程作了简要叙述与推断,并基于国内常用船舶结构钢海水全浸带试验观测数据,建立了物理意义明确、数值确定较为简便的最大蚀坑深度时变模型。此外,进一步对海水环境因素,如:溶解氧浓度、平均温度、盐度、PH值等,以及钢种成分变化对该模型各参数的影响进行了探讨,得出了相应函数关系式与结论。 (5)基于点蚀生长原理与相关文献、实船检测结果,对实船点蚀结构两类主要蚀坑形态的形成及其随船龄演化情况作了解释,认为遭受点蚀船舶构件的蚀坑形态与其所处位置、服役时间等密切相关,而将点蚀径深比处理成时变函数是有其理论和事实依据的。与实船检测数据、点蚀最大深度模型相结合,建立了适用于圆锥型蚀坑的径深比时变模型,并对其函数形式的选择及其适用范围进行了讨论。 (6)结合船舶结构钢点蚀最大深度时变模型相关内容,以及钢材海洋环境点蚀最大深度统计特征、单位面积蚀坑数及分布等方面的研究综述,提出了船舶结构钢点蚀多参数概念模型。同时,对今后船舶结构点蚀数据采集的侧重点提出了相应建议。 (7)针对轴压作用下点蚀平板单元开展了系列化的非线性有限元模拟计算。认为就承压结构而言,点蚀现象对其承载能力的削弱不仅体现在几何要素的直接减少,更在于对其结构对称性的破坏而引起稳定性的削弱。四边简支轴压板受蚀所引起体积损失量为其极限强度主要控制因素,且极限强度与其细长比β密切相关。基于此认识,拟合得出了适用于圆锥蚀坑和球冠蚀坑的点蚀板轴压极限强度计算式。 (8)以拉伸载荷作用下点蚀平板单元极限强度为研究对象,通过系列化的有限元模拟计算及相关数据整理分析,认为四边简支点蚀板拉伸极限强度由最小板横截面积决定,并拟合得出了点蚀板极限强度与横截面积损失之间的关系计算式。 本论文的创新点主要体现在船舶点蚀多参数模型的建立与蚀坑各要素对点蚀板极限强度的影响上。具体有如下三个方面: (1)建立了物理意义明确、数值确定较为简便的船舶结构钢海洋环境最大蚀坑深度时变模型。与传统经验模型相比,该模型对点蚀进程的描述更为合理、精确;与Melchers物理模型相比,该模型在遵循点蚀机理的前提下,为一连续函数,且参数较少、确定更为简便。 (2)对实船结构蚀坑主要形态的形成、发展做出了合理解释,建立了适用于实船圆锥型蚀坑的点蚀径深比时变模型。并提出了船舶结构钢点蚀多参数模型的概念。 (3)通过系列有限元计算分析,全面讨论了蚀坑几何形态及各参数,如坑深、径深比等,对轴向拉伸/压缩简支点蚀板极限强度的影响,认为:拉伸作用点蚀板极限强度由其最小横截面积决定;轴压点蚀板极限强度由其体积损失量决定,且与细长比β密切相关。并分别得出可应用于船舶点蚀结构可靠性评估的两类载荷作用下点蚀板极限强度计算式。


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