基于隨機過程理論的艦船結構可靠性研究.pdf

1、船體結構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構強度問題的主要因素。在分析船體結構可靠性時，不但要考慮載荷的時變性，而且還要考慮船體強度隨時間的退化，即與傳統(tǒng)的可靠性分析采用極值理論相比，加入了時間因素，相應的可靠性分析即為基于隨機過程的船體結構時變可靠性分析。近年來，艦船結構的時變可靠性的研究開始引起了很多學者的關注。 在通常情況下，船舶結構由于周邊環(huán)境及波浪載荷的反復作用，將不可避免的產(chǎn)生疲勞和腐蝕，這將貫穿

2、整個船舶的使用過程。結構強度由于其所處的環(huán)境及所受的載荷，將會出現(xiàn)腐蝕和疲勞的情況，而導致其強度隨時間而變化，故必須處理為隨機過程。疲勞裂紋的擴展以及艦船構件厚度的降低將導致船體梁有效截面模量減小，最終使其總縱抗彎強度減小，使艦船的可靠性隨時間而降低。 針對疲勞和腐蝕對艦船結構強度的影響，本文提出一種艦船結構時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，采用斷裂力學及一般腐蝕原理，研究了在疲勞和腐蝕作用下總縱強度隨時間

3、的變化規(guī)律，基于隨機過程理論，建立了船體梁截面模量的隨機時變模型。然后應用上穿率分析，結合并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性分析方法對艦船結構的時變可靠性進行了分析計算。這種分析方法既能反映疲勞和腐蝕因素導致的船體梁結構可靠性隨時間的連續(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可靠性進行比較，表明該方法能更精確地預測在役艦船的時變可靠度，從而為服役艦船的可靠性、維修性、保障性決策提供參考。 當船舶在航行期間遭遇惡劣海況時，將

4、產(chǎn)生嚴重的砰擊現(xiàn)象。砰擊誘導的動態(tài)載荷效應具有同低頻波浪載荷效應相當?shù)臄?shù)值，它會導致船舶整體顫振和局部損傷?；陔S機過程理論，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)的隨機過程模型，考慮波浪載荷和砰擊載荷幅值的相關性，采用上穿率及并聯(lián)系統(tǒng)可靠性分析方法求解此隨機過程的可靠性。通過算例分析了艦船結構的阻尼率、砰擊率及相關系數(shù)對可靠性的影響，并計算了艦船結構各種可能的失效模式及相應的可靠性。分析表明，結構的阻尼率對砰擊載荷作用下

5、的結構可靠性起著決定性的的影響，即阻尼率較小時，砰擊載荷對結構的可靠性影響很大，且艦船結構的受壓屈曲破壞是結構的主要失效模式。 艦船甲板結構的動力屈曲是在砰擊、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而引起整個船體梁失效。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，采用隨機過程理論和并聯(lián)系統(tǒng)可靠性分析方法對其進行分析計算，發(fā)現(xiàn)甲板結構的

6、側屈失效是最易發(fā)生的。雖然這只是局部的破損，但也會降低艦船整體結構的強度，可能導致在下次惡劣海浪中發(fā)生整體破壞。因此，適當加強艦船舯部的加筋或對已屈曲加筋及時加固，可有效地提高甲板整體結構的可靠性，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產(chǎn)重大損失的嚴重事件，歷來受到造船界與航運界的極大重視。艦船傾覆因涉及到艦船外載荷的隨機性和大幅度橫搖的強非線性而使問題十分復雜。波浪載荷和風載荷都具有隨機

7、性，這就導致艦船傾覆是具有一定概率的隨機事件。確定該隨機事件的發(fā)生概率，對工程實際具有一定的參考價值。 以路徑積分法為基礎，采用Gauss-Legendre公式探討了隨機風浪作用下艦船的運動及其傾覆概率計算?？紤]阻尼力矩、復原力矩的非線性及風浪的隨機性，建立了隨機風浪中艦船運動的非線性微分方程，應用路徑積分法給出白噪聲隨機擾動和定常風傾力矩作用時橫搖角概率密度函數(shù)隨時間的演變，按照現(xiàn)有的傾覆準則給出艦船整體失穩(wěn)即傾覆概率的表達式