船舶結構可靠性分析船舶結構可靠性分析船舶結構可靠性分析V:1.0精細整理，僅供參考船舶結構可靠性分析日期：20xx年X月大連海洋大學船舶結構可靠性分析Analysisofthereliabilityoftheshipstructure船舶結構可靠性分析研究綜述研究領域：船舶與海洋工程（專碩）姓名：鄧英杰學號：20船舶結構可靠性分析研究綜述摘要：結構可靠性理論是60年代后才發展起來的一門新興學科，作為結構強度理論與計算結構力學的一個新分支，具有工程實踐和船舶安全評價的重大意義。本文就船舶結構可靠性分析近代的發展做了總結性的綜述，從載荷、承載能力、可靠性分析方法三個角度出發，并對其今后的研究方向提出了建議。關鍵詞：船舶結構；可靠性；船舶安全評價；分析方法1前言傳統的船舶結構強度計算方法采用的是確定性方法，將船體載荷和材料力學特性等諸多因素都看做是確定性的單值量，這與實際不符，傳統的確定性設計已不能滿足現代船舶發展的需求，而采用概率統計的方法相比之下更為合理，進而誕生了船舶結構可靠性分析這一學科。1969年，挪威學者Nordenstrom【1】發表船舶結構分析里程碑的一篇文章，率先將波浪載荷和船舶總縱強度的承載能力看做是隨機分布的變量，進而分析船體的失效概率。1972年，美國學者對船體總縱強度的概率模型進行了系統的專題研究，船舶結構可靠性分析理論得到了進一步的發展。上個世紀80年代中期，船舶可靠性分析方法已經建立了起來。目前，世界各大船級社都在制定以可靠性分析為基礎的船舶結構設計規則。2載荷對于船舶結構，靜水載荷和波浪載荷是兩種主要的載荷形式。波浪載荷的理論計算是基于上個世紀50年代末的切片理論建立起來的。80年代后期，人們對波浪載荷的研究增加了許多新的內容。【2】提出了波浪載荷的概率模型，研究了低頻相應和高頻效應的概率組合問題；美國學者從當時的技術水平出發，提出了一個船舶波浪載荷效應的可靠性分析標準模式。該方法的創新性在于，在線性切片理論計算船體波浪彎矩的基礎之上，將高頻載荷以經驗性影響因子的形式與低頻波浪彎矩組合。在早期,波浪載荷計算中應用的大多是線性理論。隨著研究的深入和實踐經驗的增加,波浪載荷的非線性性質引起了人們的關注。大量的實船測量和船模試驗表明,行駛在洶濤中的高速艦船,由于船體的非直舷,以及底部砰擊、外張砰擊和甲板上浪等因素的影響,導致艦船的運動,特別是波浪載荷呈明顯的非線性。這時,在規則波中的運動不再具有簡諧性質,中垂波浪彎矩幅值明顯大于中拱時的幅值。加突出的是,由于底部砰擊和外張砰擊,使船體剖面內出現高頻振動彎矩。這種彈性振動是一種瞬態響應,在高海況下,兩者迭加而成的中垂合成彎矩幅值將遠大于線性理論的計算結果。為了計算砰擊振動彎矩，一種被稱為“兩步走”的方法被廣泛使用，即先在剛體假設下計算船體運動和作用在其上的水動力，而后再將船體視為彈性體，把水動力作為激勵求解振動響應。后來，又出現了考慮船在波浪中運動整體性的水彈性力學方法，并將該理論將規則波擴展到不規則波，由二維線性水彈性法擴展到二維非線性。然而，由于二維理論只適應于細長的單體船，所以后來又出現了三維勢流理論，由吳有生【3】于1984年提出。以往大多數船舶可靠性分析文獻都是把波浪載荷按照切片理論確定，卻未考慮砰擊載荷。我國學者戴仰山【4】提出了一種新的載荷組合模型：將低頻波浪彎矩和砰擊振動彎矩在時域內對應疊加，利用合成彎矩幅值的統計值進行擬合，求得可靠性分析中總彎矩的概率分布。靜水載荷效應的研究比較少，傳統設計一般將其視為確定量。上個世紀90年代人們研究發現，由裝載狀態決定靜水剪力、彎矩等在船舶營運中呈現隨機變化的特性。目前，靜水載荷一般取為正態分布，用于其統計特征的方法大致分為3類：線性規劃法、計算機模擬法、統計資料法。3結構承載力承載能力與結構失效模式緊密相關。早期船舶總縱強度的可靠性分析中，失效模式主要限于中垂時的甲板屈曲，中拱時的甲板板架屈服。外國學者Mansor分析了極限載荷下船體的非彈性屈曲和過渡屈服失效模式；上海交大桑國光【5】等分別對船體梁的屈曲失效、甲板板架屈曲失效和甲板板格屈曲失效等模式進行了研究。日本學者采用理想結構單元法考慮初始變形、殘余應力以及單元的非線性行為來確定船舶極限縱強度作為船體結構的承載能力,用常規方法計算載荷效應,進行了船體梁的總縱強度可靠性分析。近年來對結構承載能力模型的研究進一步加強。船舶結構失效模式包括了疲勞破壞、扭轉破壞、局部強度破壞及自然損耗等。結構承載力也是隨機變量，影響它的基本隨機變量包括：模型不確定性；機械材料性能、構件尺寸、結構尺寸等。模型不確定性一般用一個模型不確定系數來表示，為真實強度（試驗值或理論值）與建議公式所計算的值的商。在可靠性分析中，可以將其看作一個附加的隨機變量。客觀不確定性可用均值、標準差和分布形式來描述，針對它們對結構承載力的影響的常用的方法有Taylor展開法、蒙特卡洛法等。近年來對海上結構物裕度衡準的研究在國內外備受關注。結構裕度包括結構的儲備強度和剩余強度。結構的儲備強度是設計載荷與結構可承受的極限載荷之間的裕量。剩余強度是結構系統在某些構件受損或失效后能繼續承受一定外載荷而不遭破壞的能力。近年來傾向于將結構裕度定義為結構系統的剩余強度,而儲備強度在確定性分析中體現為結構的安全系數,在概率分析中則用結構系統的失效概率來表達。4可靠性分析方法根據失效模式,可靠性分析方法可分為部件可靠性和系統可靠性。部件可靠性的計算方法大致可分為全概率方法、一階二次矩法、二階法、數值模擬法和第一水平法。全概率方法是可靠性分析中最嚴密和最一般的方法,它利用全部基本隨機變量的完整聯確定結構的失效概率：其中F是失效域。一般來說的形式比較復雜，對于多維問題甚至不能用積分方法求得，所以必須尋找一些近似的方法。現存的近似計算方法有一階二次矩法、二階法和模擬法。模擬法早期僅限于蒙特卡洛模擬法,后來發展出一些可以減少模擬偏差的模擬法,如層理法、重要性樣本法、改進樣本法和公共變量法等。其中重要性樣本法和一階二次矩法的結合顯示出較好的應用前景。【6】提出了一種快速有效的可靠性解法—響應面法，通過通過綜合運用多項式擬合、重要性樣本法,并同有限元方法相結合,可使之應用于大型復雜工程結構可靠性分析中。可靠性分析中也需要對結構失效概率或安全指數規定一個最低必須達到的安全水準—目標可靠性指標。目前，在土木工程中一般采用“類比法”或“校準法”來確定目標可靠性指標。我國學者郭昌捷【7】則對艦船縱向彎曲強度目標可靠性指標進行了初步探討。為了研究船舶結構的剩余強度，也就是某一構件失效時不至于導致整個系統結構的失效，目前主要采用β法和分支邊界法。Β法雖然展開計算量小，但理論上不能保證所有主導失效模式；分支邊界法雖然相對嚴格些，但計算量比較大。另外，目前比較新的船舶結構可靠性分析法有隨機有限元法和模糊優化法等。5對今后研究方向的建議船舶結構可靠性分析已經發展了將近50個年頭，然而，因為所使用的具體方法的不同，計算結果甚至會相差幾個數量級，為此，在深入研究的同時，應向工程實際轉化，提出一個統一合理的船舶結構可靠性分析指標。另外，目前可靠性研究主要是針對完好無損的船體結構，然而，船體在使用過程中不可避免地受到多種損傷，如腐蝕、變形、開裂、材料老化等。損傷是一個隨機事件，因此“剩余強度”的概率研究是一個值得嘗試的方向。參考文獻[1]NordenstromN.ProbabilityofFailtureforWeibullLoadandNormalStrength.Report,DertNorskeVeritas,1969[2]StiansenSG,etMethodsinShip.RINA,1980,[3]WuYousheng.HydroelasticityofFloatingBodies..Thesis,BrunelUniversity,.,1984[4]戴仰山等.確定作用于船體上的總載荷極值.哈爾濱船舶工程學院學報,桑國光等.甲板板架屈曲的可靠性分析.上海交通大學科技交