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油船在破损状态下的总纵强度可靠性分析

R.M. Luiacute;s, A.P. Teixeira, C. Guedes Soares

里斯本技术大学海洋技术工程中心高级研究所，里斯本，葡萄牙

0.摘要

本文拟采用一阶可靠性分析方法，进行一艘苏伊士型双壳油船在结构破损情况下的总纵强度的可靠性分析，结构损伤位置假定发生在船体中心龙骨，这是一般认为的可能存在的最糟糕的结构强度破坏的情况。在本文中，破损状态下的油轮的极限强度，将通过将结构进行简化，得到一种特定的结构形式，并对其进行计算从而得到其极限强度，其中对于船体结构损伤部分将通过简单地去除破损结构部分来进行模拟。通过对不同程度的船体结构破损进行分析，可以建立出一个与极限强度有关的可靠性指数。而本研究中所涉及到的波浪载荷数据是基于“全球波浪统计”数据库长期统计资料获得。静水载荷则是根据船舶装载手册确定。基于此基础，就可以进行关于破损状态下船体的总纵强度的可靠性分析。

关键词: 结构可靠性；船体梁极限强度；意外破损；残余强度；随机载荷模型

1.绪论

海上船舶结构安全一直是船舶作业的一项重要内容。为了能够更好地评估船舶结构的安全性，进行船舶总纵强度校核是十分有必要的，同时这一工作还能进一步建立描述船体结构变化，从结构强度方面对结构安全性进行评估的可靠性概率模型。因此，船体梁的总纵强度一直是一个热点研究话题，由于总纵弯矩是船舶结构所承受的最大荷载之一，一般也用它来确定船体截面尺寸，因此也被称之为截面模数。因此，通常对船舶结构可靠性的分析往往侧重的仅仅是如何抵抗船体总纵弯矩。

对于考虑破损状态对船体的极限强度的影响，目前这一研究领域已经取得了一定的研究成果。Paik^[23]等人利用美国航运局提出的公式进行了相关研究，该研究主要用于快速评估船体梁在损伤状态下崩溃的特性。Gordo和Guedes Soares^[8]，Ziha和Pedisic ^[29] Fang 和Das^[4]等人则是研究了简化计算方法，能够用于计算纵向极限弯矩，从而来评估受损船舶的极限强度。

这些研究中采用的一般方法是，对船舶的破损区域进行重新定义，通过将船体破损部分的移除，同时对极限强度采用简化计算方法来进行可靠性评估。实际研究表明受损区域的宽度对船舶的极限强度影响很大。此外，又因为船舶的意外损毁事故发生数量很多，且可能以各种方式发生，最常见的两种结构破损形式则是遭受碰撞和沿岸搁浅，迄今为止，还很少有研究人员发表关于破损状态下的船舶的可靠性评估的相关研究^[5]。因此，本文旨在提出一种评估受损船舶的总纵强度可靠性的方法。为了使该方法在船舶遭受设定条件下的破损状态时仍然快速且有效，有必要建立船舶的可靠性与船体梁损伤时对极限弯矩的影响以及所施加的载荷（波浪和静水引起的弯矩载荷）三者之间的关系。

在这项研究中，可以通过借用残余强度指数建立极限弯矩的极限状态函数，这一参数被用来表征完整船舶和以及其在破损状态下的船舶的负载之间的关系，这一参数应通过特定负载条件和损坏状态下的水动力计算来确定。但是，在这项研究中，破损船舶的载荷大小是基于特定的负载组合数值给定的。此外，有必要考虑到环境条件以及船体遭受破坏的持续时间。而对于这一参数（受损船舶荷载组合系数）目前研究几乎没有相应的成果内容，为数不多的研究内容^[1]也没有很好地符合规范内容。

本篇研究报告中主要考虑了三种最常见的负载情况（LC），全负荷即满载（FL），压载负荷（BL）和部分负荷（PL）。

2.结构破坏及船舶主尺度

2.1船舶主尺度

本文研究的是一艘双壳苏伊士型油船，该油船满足船级社所有现行的规范内容。其中船舶主尺度详情见表一。

表一 船舶主尺度

表二 船舶营运概况

该船的运作概况详情见表二，这是根据一般运营油轮^[28]所采用的常规统计数据得到的数据。为了计算其极限弯矩，采用根据文献[9]提出的基于史密斯方法的简化方法。基于此基础，船体梁必须分成独立的纵向单元。由船体加强结构及与其连接的板两部分构成，其中除板与板相交叉的位置，将板的剩余部分定义为独立部分，如图一所示。

图二给出的截面模型，分为加强板单元；其中舱底板没有加强，但是为了更好地模拟船舶横截面的整体特性，将其分为两个部分。所有板单元的相交部分被建模为边角结构。这一内容详情将在极限强度部分出现。

图一 船体梁示意图 图二 截面模型示意图

2.2结构破坏特性

本文中考虑的意外破损出现在船底板的龙骨区域，这也是被认为是可能存在的最糟糕的情况，虽然并不是最有可能发生的情况。

因为船舶横剖面被分成独立单元，如果考虑在龙骨附近给定一个损坏区域，然后认为该区域内的结构发生破损。本文采取了被大多数船级社所认可的简化方法来处理船体破损状态。这一基本假设就是认定破损结构部分的强度可以通过简单的从完整结构中移除破损单元，并通过重新计算剩余结构的极限弯矩来获得。这也意味着所有破损单元都没有对船体梁总纵强度做出贡献。很显然，这是一种保守的强度估算方法，因为在破损状态下，破损部分结构仍然可以对船体强度做出贡献。

此外，由于结构破坏引起的裂纹扩展现象在本文中是不予考虑的，虽然这也是研究船舶破损状态下的各种特性的一个热点研究方向，但本文并不包括这一内容。本文关于破损结构的裂纹扩展的定义是基于美国船级社给出的建议提出的^[1]。其中的一种假定是认为破损结构部分的裂纹扩展在横向结构两端附近会逐渐减少，这将能够有效模拟由于碰撞（与水下岩石或另一艘船等发生碰撞）引起的船体破口的形状。为了简化研究，另一种假定则是认为破损结构的裂纹扩展率是恒定的。对于本研究，使用这两种假定方法对于结果是没有影响的。然而，如果受损区域的纵桁单元两端封闭，第二种简化假定就会造成更大数量的结构单元丢失，如图三所示。如此看来，规范规定的方法的应用范围仍在是存在一定限度的，虽然出于设计的目的上来说它是可行的，但是应该增大其应用范围，例如对破损状态条件下的边界条件进行简单地定义，并用于快速评估船舶在事故中影响船体结构完整性的船舶极限强度。也许在将来的研究中，当“智能材料”和传感器能够更多应用于造船时，这一方法能够得以实现，但目前采用矩形板的破口限制条件是最为合理的方法。

由于本研究中并没有一艘发生实际发生破损的船舶，因此所使用的矩形板的破口边界条件的限制范围是基于文献[1]给出的建议。图四给出了所采用的破损状态下对破口区域定义的具体方法，其中当破损高度是H时，其矩形破口的高度是3/4 H（H是双层底高度）。这种情况将伴随着较大程度的损伤扩展，可以模拟出船体结构破损导致货物外泄的重大事故的情况。破口的宽度为B/6（B为船舶宽度），变化范围为20%。图五表现了当破损部分被移除后船体结构在破损状态下的船体剖面的情况，图六中显示的是主要的几种破损状态。

图三 破损差异示意图 图四 破损区域示意图

图五 船体板破损方式示意图 图六 船体破损状态示意图

3.极限强度

可以使用由Gordo等人开发出的hullcoll程序来计算该船的极限强度。这是一个基于增量迭代法的简化方法，通常也被称为史密斯方法^[26]。Gordo等人采取的一般方法也被Billingsley^[3]、Rutherford 及Caldwell^[24]等人认可，但这一案例中所使用的板材破口的约束条件是由Gordo和Guedes Soares ^[7]提出的。该方法还能计算出弯矩与船体曲率之间的关系，从而可以根据这一指标来确定崩溃前的最终时刻，这一时刻也是极限强度最大的时刻。这个方法主要是通过在船体中性轴附近的位置施加一个瞬时增加的弯矩效果来实现的。通过施加的弯矩，可以得到在船舶各结构单元的应变，并从每个结构单元的应力与应变的关系中，获取各个单元承受的应力，用应力乘以单元面积就能得到各单元的负载情况。通过考虑合力（数值应为零）可以重新计算瞬时中性轴的位置。这个迭代过程会一直进行到到中性轴位置收敛时为止。各学者都在他们的研究中提出了可用于研究的收敛数值解，例如在Gordo等人的研究中，他们要求合力要小于（：表示屈服强度；A：表示该部分的总面积），且对中性轴的估算偏移量应该小于10^-4。此时，通过单元到中性轴的距离，及弯矩引起的载荷就能够对总纵强度进行计算了。一般，给定曲率的总弯矩等于由单元引起的所有弯矩的总和。

为了在本研究中应用该方法，现提出以下假定：

——假定这些单元相对独立。

——假定当施加总纵弯矩荷载时，船体结构变形后保持平面（即满足平断面假设）。

——假定结构横向强力框架足以抵抗完全崩溃情况的发生。

根据第一条假设，交叉单元（又称边角单元）的表现并不能得到令人满意的结果，因为它受到相邻单元的屈曲状态的影响。对于这种不太理想的情况，一般的解决方案就是将它们建模为边角单元。边角单元能够在受压时表现出较好的弹塑性特征。

采用由船级社推荐的船舶的净尺寸进行计算，即在任何情况下，腐蚀厚度都不算在事故发生的情况下，因为事故发生时船体的状态并不确定，因此无法准确衡量事故发生的时刻。考虑到前文对破损状态的各种假设及定义，现有七种不同的条件可能导致最终的极限弯矩表现出不同的结果，具体见表三。Fang 和Das ^[4]提出了利用剩余强度指数（RIF）定义最终崩溃。

表三：纵向极限弯矩（MN-m）

（1）

其中是结构破损崩溃前的最后时刻的弯矩数值，是完整结构失效前的最后时刻弯矩数值。此指数对于可靠性指数（b）的参数研究是有很大作用的。各损坏部位的RIF数值可从表4中获取。中拱状态与比中垂状态相比，其强度损失表现的更为明显，且损伤尺寸增加，尽管中拱时刻的极限弯矩更大。这是由于破损位置的不同造成的。船底结构单元部分由于在破损状态下的移除导致了中性轴高度增加，从而增加了船舶中垂时的强度（通过反作用于损伤结构），但这一效应也将导致船舶中拱时强度的减少。这就解释了船在中垂搁浅时的RIF指数与碰撞增加20%的数值相等的原因。图七、八分别用图像表示了中拱和中垂时的RIF值的变化趋势。中拱极限强度的变化几乎是线性的，但在中垂时的极限强度的非线性的变化很明显。

在可靠性分析中，极限强度的概率模型的基础是船舶剩余强度的确定性预测和船舶极限强度不确定性有关的随机变量（）。基于联合油轮项目^[2]的基础报告给出的建议，使用满足平均值为1.05和标准差为0.1的正态分布来描述这种不确定性。

4.船体载荷

4.1. 静水载荷及其统计特

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