考虑腐蚀与疲劳损伤的船体总纵极限强度与可靠性分析(重点).docx

考虑腐蚀与疲劳损伤的船体总纵极限强度与可靠性分析魏 东 张圣坤 周继胜(上海交通大学)摘要本文定量考虑了腐蚀与疲劳两类损伤对船体结构随时间变化的情况，并建立了船体总纵极限强度与时变可靠性的计算方法。对一条实船的分析说明，腐蚀和疲劳损伤虽然短时间内的破坏并不显著，但积累到一定程度，对船体结构的影响相当大。采用可靠性评估的方法、对船体总纵强度的安全水平可作出合理的评价。关链词:腐蚀，疲劳，极限强度，可靠性（一)引言船舶结构的腐蚀与疲劳破坏是两种时变的累积型损伤。船舶经过一段时间的使用，这两种损伤可能累积到十分危险的程度。因此定量地研究这两种损伤对结构强度的影响，并引入可靠性的概念进行安全评估十分必要。总纵极限强度是反映船体结构总强度的重要指标。本文首先对腐蚀与疲劳损伤对结构的影响进行了分析，然后引入到船体极限强度随服役年限变化的计算中，并介绍了以极限强度为限制方程的时变可靠性计算方法。最后以一条VLCC超级油轮作为算例说明了算法的有效性。(二)考虑腐蚀与疲劳损伤对船肿剖面结构的影响1.腐蚀的影响船体结构受腐蚀的程度与位置、防护方式有很大关系。Kozliakov[1]通过对船舶大量腐蚀损伤的研究，发现较薄的加筋腹板处腐蚀损伤最为严重，并容易发生进一步破坏，这在腐蚀环境较强而又没有保护时更为危险。考虑腐蚀损伤最直接的方式是给定结构的腐蚀损耗率，现在的规范(如ABS )已要求对扣除正常服役期(一般为20年)间腐蚀量后的船体结构强度进行校核。在ABS规范[2]中，对舯剖面各处的腐蚀量规定为1—2mm，其它规范也作了类似的规定。而Soares[3]发现0.1mm/年的损耗率并不偏于保守，因为偏差几乎高达100%，他建议最大损耗率为0.2mm/年。Kozliakov给出的经验公式为：（1）式中，为服役期内平均腐蚀量，取为1.6mm；为考虑不同位置结构的附加腐蚀量，取为不大于5mm；n取3—4；T为设计股役期(年)。(1)式的好处是考虑到了初始腐蚀发生后的加速发展。在文献[4]中Paik经过大量实船调查也给出了类似的公式，对新造船舶由于采用防腐涂料，他认为一般5年后才考虑腐蚀问题。本文的方法是根据规范对不同结构和位置腐蚀量折减的规定，对腐蚀量的要求加以考虑。对船体板的腐蚀考虑板厚的折减，包括带板，加筋腹板和面板，其厚度由下式计算：（2）、分别为初始和折减后的板厚。2.疲劳的影响对疲劳强度的评价有两种方法。一种是S-N曲线，可以用不同应力水平下对应的循环数预测疲劳强度，由于其相对简单，已为各船级社作为规范采用。但是S-N曲线只能反映损伤累积到出现宏观裂纹时的情况，并且不易考虑到剖面结构的折减中去。另一种方法是利用裂纹扩展方程得到裂纹随时间变化的函数[5],通过计算临界裂纹尺度出现时间来预测疲劳强度，结构出现裂纹后较容易考虑剖面的折减[6]。 裂纹扩展的Paris-Erdogan方程为：（3）式中为裂纹尺度，为循环数，为应力强度因子幅值，与为材料参数。应力强度因子幅值定义为：（4）其中为形状系数，需考虑结构尺寸和裂纹类型确定。如果为常数，且，然后对(3)式积分得到：（5）循环数定义为：，为上穿率。定义为临界裂纹尺度，则从初始裂纹发生到临界裂纹出现的时间为： （6）如定义为初始裂纹产生的时间，则完整的疲劳的寿命为： （7）Weibull提出时间对初始裂纹尺度服从Weibull分布，也有学者建议用对数正态分布，法国船级社BV建议用[6]： （8）式中为0.1-0.15的常数。疲劳裂纹的出现不仅对剖面特性有影响，而且对结构的极限剩余强度有影响[7]，在线弹性断裂范围内，裂纹扩展由应力强度因子控制，应力强度因子表示为：（9）当应力强度因子达到临界值 (断裂韧性)时，断裂就会发生，此时的应力即为材料剩余极限应力： （10）从(10)式可看出极限应力随裂纹尺度的增加而减少，Paik[8]利用有限元分析了不同尺度初始裂纹板的相当材料特性，给出了相当屈服应力与应变随裂纹尺度变化的曲线。本文只考虑裂纹对剖面特性的影响，考虑的裂纹出现在板与加筋相连的焊缝处，并随时间在板宽和加筋高度方向扩展。由于本文研究的是总纵强度，只考虑纵向弯曲拉应力变化对疲劳的影响，调查发现这类疲劳裂纹要占到40%。板宽或加筋腹板高度随时间变化的计算式为：（11）式中，分别为初始和折减后的板宽或加筋腹板高度。 在文献[6]中，考虑贯穿型裂纹长度随时间增加，并达到板宽的80%时认为板发生裂纹扩展失稳破坏。但该文将形状因子取为常数有待商榷，因为此类裂纹扩展时，形状因子有较大变化。实际上在焊缝处最易发生的是表面裂纹.本文考虑加筋板在焊缝处首先产生半椭圆型表面裂纹，裂纹在板厚和板宽方向同时扩展，贯穿板厚以后，继续