边震宇
中国船级社质量认证公司 北京 100006
摘要：船舶结构的可靠性是指船舶在规定的使用期限内，在设定的航行海况条件下船体结构保持安全状态的能力。随着数理统计理论的发展，船舶结构可靠性评估成为研究热点。本文以某大型舰艇为研究对象，分析了载荷响应参数对船体结构可靠性的影响规律，得到了不同航速和海况条件下的在役舰艇船体结构可靠性，通过适当调整航速来提高舰艇结构的安全性是可行的。
关键词：船体结构；航速；波高；非概率可靠性
在腐蚀、疲劳及变形等复杂损伤作用下，在役舰艇船体结构强度和安全性逐渐降低。由于上述损伤具有明显不确定性，在样本数据采集严重不足的条件下，依据原始设计规范对舰艇安全性进行评估的结果与实际值有较大偏差。因此，采用可靠性方法开展在役舰艇的强度状态评估更合理科学。目前，国内学者从多个角度对船体结构的可靠性进行了研究。
一、船体结构腐蚀损伤
舰艇在服役一定时间后，其船体形态逐渐变化，产生形变、腐蚀及疲劳等多种损伤形式。目前，在役舰艇船体结构强度评估中主要考虑船体构件的腐蚀损伤，故本研究将船体结构腐蚀作为导致舰艇结构安全性降低的主要因素开展相关研究。
1、结构腐蚀形式。舰艇结构腐蚀是一个较为复杂的随机过程，它受多种因素的影响，不同的船体材料、服役航区、航行时间、舰艇腐蚀防护系统及维护条件下，舰艇构件的腐蚀损伤程度迥异。同一舰艇不同部位处的构件腐蚀程度明显不同，水线附近的舷侧外板和船底板腐蚀最为严重。在舰艇结构修换规范中，常将船体结构的腐蚀损伤划分为整体和局部两种主要腐蚀形式。其中，整体腐蚀表现为构件厚度整体以近似均匀的形式减小；局部腐蚀形态较为复杂，但主要表现为蚀点腐蚀。
2、结构腐蚀勘验。对于点蚀形式为主的局部腐蚀，常须要对蚀点锈蚀区的锈蚀损耗厚度进行测量。在测量过程中，要求除去蚀点锈蚀区内的锈蚀，使金属裸露，然后取最深的凹坑进行测厚，对于近似均匀的整体腐蚀，须选取合适的测点对构件的厚度进行测量。
如图测点布置在结构腐蚀勘验过程中，由于点蚀造成的蚀坑数量庞大，且不同点蚀密度对应允许的最大点蚀深度不同，选取五个最深凹坑进行测量在实际操作中有一定难度。考虑到点蚀损伤对船体总纵强度的影响相比于整体腐蚀较小，故常以构件整体腐蚀的勘验数据来表征船体结构的腐蚀程度。
二、在役舰艇结构非概率可靠性分析模型
［2］提出了非概率可靠性的概念，该理论认为：当不确定信息量不充足时，以结构所能容许的不确定性的最大程度来衡量结构的可靠性是合理且可行的。基于非概率理论将结构不确定参数描述为区间变量，提出了较为完善的非概率可靠性度量体系及分析方法。由于非概率可靠性分析方法对样本信息量要求比较低且可靠性分析结果偏于保守，使得该方法在实际工程应用中快速发展。
1、舰艇结构载荷响应。在役舰艇主要受到静水弯矩Mｓ、波浪弯矩Mｗ和砰击弯矩Mｄ三种载荷的作用，而三种载荷又受舰艇的排水状态、航行海况、航速等因素的影响,即舰艇与其承受载荷是一个相互影响的复杂系统,由于静水弯矩受舰艇装载状况的影响，因此被认为是一个不确定的参量,民船的静水弯矩通常被认为服从正态分布，但鉴于舰艇的装载的变化相对较小，这里可认为舰艇静水弯矩是个确定量，其值可通过舰艇资料获取。对于波浪弯矩和砰击弯矩，舰艇航速及海况对其影响显著，军用规范给出了较为明确的计算方法，中垂状态下，船舯剖面处的波浪弯矩为：
由图可知：随着航速和波高的增加，舰艇结构的可靠性逐渐下降，且波高对舰艇结构可靠性的影响相对于航速的影响较大；现时状态下，该舰艇在波高为4ｍ的海况下航行时，若航速超过30kn，则船体破坏的风险较高；当波高超过4.6ｍ时，不论舰艇在何航速下航行其船体结构不再可靠，安全性不能保证．依据上述的计算结果可知：该舰艇现时状态下已不能胜任在4级海况下服役，较初始设计使用海况等级已下降了两个等级。
对不同航速、波高下舰艇船体结构可靠性的一系列计算结果进行最小二乘法拟合，可得到现时状态下舰艇船体结构的可靠性指标随航速及波高的变化曲面，当海况波高较小时，航速对结构可靠性的影响较小，但随着波高的增加，航速的不同航速、波高下舰艇结构可靠性的响应曲面响逐渐增大；当舰艇航速及海况波高的范围处于曲面虚线以下区域时，舰艇结构的可靠性较差，甲板结构很可能发生失稳破坏，对舰艇结构可靠性进行评估的结果与一系列数值计算结果如下：标准偏差S＝0.0023，相关系数R2＝0.992,对现时状态下该舰艇在不同航速和海况时的可靠性进行较为精确的评估与预测，进而可为该舰艇的合理安全使用提供有效的技术指导。
参考文献：
[1] 肖桃云, 张圣坤. 考虑腐蚀影响的船体梁极限承载能力时变可靠性分析[J]. 中国造船, 2012, 41(2): 49-57.
[2] 吕震宙, 冯元生. 基于区间分析的结构非概率可靠性分析模型[J]. 计算力学学报, 2013, 18(1): 56-62.
论文作者:边震宇
论文发表刊物:《防护工程》2018年第11期
论文发表时间:2018/10/10
标签：舰艇论文; 船体论文; 结构论文; 航速论文; 可靠性论文; 弯矩论文; 损伤论文; 《防护工程》2018年第11期论文;