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含裂纹和腐蚀船舶结构极限强度计算方法及系统可靠性研究

包均  
【摘要】:船舶结构在整个寿命周期内因受到裂纹和腐蚀损伤而降低其极限承载力,导致海上事故发生,会造成不可估量的损失。因此,在船舶设计初始阶段和运营过程中有必要准确快速的评估受到损伤后船舶结构在恶劣海况中的极限承载能力。整个船体作为由加筋板格构成的庞大三维空间薄壁系统,工作环境非常复杂,很多不确定性因素会影响其结构安全,所以按照概率思想对船舶结构进行系统可靠性分析具有重要的实际意义。本文在研究了含裂纹和腐蚀船舶结构加筋板单元极限强度经验公式的基础上,基于逐步破坏法和APDL参数化设计,编制了能够调用非线性有限元计算单元应力-应变关系的简化逐步破坏极限强度计算程序;并以一艘海上浮式生产储油船(FPSO)为例,采用自编简化逐步破坏程序和非线性有限元法对其在不同年限腐蚀和裂纹损伤下的极限强度进行了计算;采用离散的单元模拟船舶空间结构,基于简化逐步破坏程序和概率网络估算法(PNET法)开展了船舶空间结构的系统可靠性分析。具体研究内容如下:(1)分析完整加筋板、含裂纹和腐蚀损伤板及加筋板的极限强度计算的经验公式,结合折减因子评估法,以完整加筋板压缩极限强度的经验公式为基础,提出以加筋板柔度和加筋板壳板柔度为变化参数的含裂纹和腐蚀损伤加筋板极限强度的经验公式。与有限元计算和文献经验公式结果进行对比,验证了含损伤加筋板极限强度经验公式的准确性。(2)基于含裂纹和腐蚀船体单元极限强度的参数化设计,编制自动调用有限元方法计算获得的单元应力-应变关系的逐步破坏法程序,实现考虑裂纹和腐蚀船体单元应力-应变关系的获取和船体梁极限强度的快速计算,通过实例和实船计算验证了该程序的计算精度。(3)分别采用非线性有限元法和自编简化计算程序对只含腐蚀、只含裂纹、同时含裂纹和腐蚀损伤下的FPSO船体梁极限强度进行计算,对比两种方法的计算结果,表明结合非线性有限元法计算单元应力-应变曲线的简化逐步破坏程序是切实可行的,计算结果是可靠的。(4)以大型船舶结构的加筋板元件可靠性为基础,提出基于逐步破坏过程单元失效路径的船体梁系统可靠性计算方法,对同时含裂纹和腐蚀FPSO船体梁的可靠性进行计算。结果表明,该方法能够快速评估船体梁空间系统可靠性。


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