基于隨機(jī)過程理論的艦船結(jié)構(gòu)可靠性研究.pdf

1、船體結(jié)構(gòu)的自然損傷包括腐蝕和疲勞，艦船的環(huán)境載荷也是引起船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題的主要因素。在分析船體結(jié)構(gòu)可靠性時(shí)，不但要考慮載荷的時(shí)變性，而且還要考慮船體強(qiáng)度隨時(shí)間的退化，即與傳統(tǒng)的可靠性分析采用極值理論相比，加入了時(shí)間因素，相應(yīng)的可靠性分析即為基于隨機(jī)過程的船體結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠性分析。近年來，艦船結(jié)構(gòu)的時(shí)變可靠性的研究開始引起了很多學(xué)者的關(guān)注。 在通常情況下，船舶結(jié)構(gòu)由于周邊環(huán)境及波浪載荷的反復(fù)作用，將不可避免的產(chǎn)生疲勞和腐蝕，這將貫穿

2、整個(gè)船舶的使用過程。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度由于其所處的環(huán)境及所受的載荷，將會(huì)出現(xiàn)腐蝕和疲勞的情況，而導(dǎo)致其強(qiáng)度隨時(shí)間而變化，故必須處理為隨機(jī)過程。疲勞裂紋的擴(kuò)展以及艦船構(gòu)件厚度的降低將導(dǎo)致船體梁有效截面模量減小，最終使其總縱抗彎強(qiáng)度減小，使艦船的可靠性隨時(shí)間而降低。 針對疲勞和腐蝕對艦船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，本文提出一種艦船結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠性的分析方法。根據(jù)艦船在服役期間的載荷環(huán)境特點(diǎn)，采用斷裂力學(xué)及一般腐蝕原理，研究了在疲勞和腐蝕作用下總縱強(qiáng)度隨時(shí)間

3、的變化規(guī)律，基于隨機(jī)過程理論，建立了船體梁截面模量的隨機(jī)時(shí)變模型。然后應(yīng)用上穿率分析，結(jié)合并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性分析方法對艦船結(jié)構(gòu)的時(shí)變可靠性進(jìn)行了分析計(jì)算。這種分析方法既能反映疲勞和腐蝕因素導(dǎo)致的船體梁結(jié)構(gòu)可靠性隨時(shí)間的連續(xù)變化情況，又避免了繁瑣的數(shù)值積分，簡單可行。通過算例與年度瞬時(shí)可靠性進(jìn)行比較，表明該方法能更精確地預(yù)測在役艦船的時(shí)變可靠度，從而為服役艦船的可靠性、維修性、保障性決策提供參考。 當(dāng)船舶在航行期間遭遇惡劣海況時(shí)，將

4、產(chǎn)生嚴(yán)重的砰擊現(xiàn)象。砰擊誘導(dǎo)的動(dòng)態(tài)載荷效應(yīng)具有同低頻波浪載荷效應(yīng)相當(dāng)?shù)臄?shù)值，它會(huì)導(dǎo)致船舶整體顫振和局部損傷?；陔S機(jī)過程理論，建立了船體梁在砰擊、波浪及靜水載荷聯(lián)合作用下功能函數(shù)的隨機(jī)過程模型，考慮波浪載荷和砰擊載荷幅值的相關(guān)性，采用上穿率及并聯(lián)系統(tǒng)可靠性分析方法求解此隨機(jī)過程的可靠性。通過算例分析了艦船結(jié)構(gòu)的阻尼率、砰擊率及相關(guān)系數(shù)對可靠性的影響，并計(jì)算了艦船結(jié)構(gòu)各種可能的失效模式及相應(yīng)的可靠性。分析表明，結(jié)構(gòu)的阻尼率對砰擊載荷作用下

5、的結(jié)構(gòu)可靠性起著決定性的的影響，即阻尼率較小時(shí)，砰擊載荷對結(jié)構(gòu)的可靠性影響很大，且艦船結(jié)構(gòu)的受壓屈曲破壞是結(jié)構(gòu)的主要失效模式。 艦船甲板結(jié)構(gòu)的動(dòng)力屈曲是在砰擊、波浪等載荷聯(lián)合作用下引起的，其舯部一旦發(fā)生屈曲破壞，隨后的載荷將引起屈曲變形在船舯部位的增長進(jìn)而引起整個(gè)船體梁失效。因此，研究艦船甲板的可靠性具有重要意義?？紤]艦船甲板受壓屈曲破壞的三種主要失效模式，采用隨機(jī)過程理論和并聯(lián)系統(tǒng)可靠性分析方法對其進(jìn)行分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)甲板結(jié)構(gòu)的

6、側(cè)屈失效是最易發(fā)生的。雖然這只是局部的破損，但也會(huì)降低艦船整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，可能導(dǎo)致在下次惡劣海浪中發(fā)生整體破壞。因此，適當(dāng)加強(qiáng)艦船舯部的加筋或?qū)σ亚咏罴皶r(shí)加固，可有效地提高甲板整體結(jié)構(gòu)的可靠性，為艦船的可靠性、維修性、保障性提供參考。 艦船整體失穩(wěn)即艦船傾覆是造成人員及財(cái)產(chǎn)重大損失的嚴(yán)重事件，歷來受到造船界與航運(yùn)界的極大重視。艦船傾覆因涉及到艦船外載荷的隨機(jī)性和大幅度橫搖的強(qiáng)非線性而使問題十分復(fù)雜。波浪載荷和風(fēng)載荷都具有隨機(jī)

7、性，這就導(dǎo)致艦船傾覆是具有一定概率的隨機(jī)事件。確定該隨機(jī)事件的發(fā)生概率，對工程實(shí)際具有一定的參考價(jià)值。 以路徑積分法為基礎(chǔ)，采用Gauss-Legendre公式探討了隨機(jī)風(fēng)浪作用下艦船的運(yùn)動(dòng)及其傾覆概率計(jì)算。考慮阻尼力矩、復(fù)原力矩的非線性及風(fēng)浪的隨機(jī)性，建立了隨機(jī)風(fēng)浪中艦船運(yùn)動(dòng)的非線性微分方程，應(yīng)用路徑積分法給出白噪聲隨機(jī)擾動(dòng)和定常風(fēng)傾力矩作用時(shí)橫搖角概率密度函數(shù)隨時(shí)間的演變，按照現(xiàn)有的傾覆準(zhǔn)則給出艦船整體失穩(wěn)即傾覆概率的表達(dá)式