浅谈船舶结构板缺陷的可靠性分析

摘 要 板是重要的船体材料。由于板加工工艺以及船舶制造工艺的影响，板往往会出现多种缺陷，例如初始缺陷、焊接应力残余、裂纹以及局部凹陷等，这些缺陷的存在对船舶板结构的可靠度指标形成一定的影响。本文具分析了这些缺陷极限强度，对含有多种缺陷板组成的结构系统可靠度行了详细分析，通过采取一定的可靠性计算方法找出影响结构系统可靠性的薄弱板单元，避免由于板缺陷影响船体结构的安全性、可靠性以及耐久性。

关键词 船舶结构 板材 缺陷 可靠性分析

中图分类号：U661 文献标识码：A

一、缺陷板极限强度分析

1、初始缺陷。初始缺陷的形成是由于船体结构在制作过程中采用多种冷热加工工艺引起的初始变形和焊接残余应力。初始缺陷的存在严重影响板材的极限承载能力。最大初始变形的近似计算公式为：

式中：为板材最大初始变形，%lu0为极限强度，%ls为材料的屈服应力，b为板格宽度，t为板格厚度，E为弹性变量。

沿Y方向上焊接的残余应力计算公式为：

式中%lrcx为焊接残余应力。

在充分考虑初始缺陷的情况下，板格极限强度的计算公式为：

%lu = RdRr%lu0， 式中：%lu 为具有初始缺陷板格的极限强度；%lu 0为完好板格的极限强度；Rd和Rr则分别为初始变形和残余应力引起的强度折减系数。

2、初始裂纹。载荷突然加大、板材局部受到撞击等人为失误或是意外加工环境变化都可能使得船体结构板材出现例似裂纹、凹陷等机械损伤，这一类的力学损伤会造成船体承载能力的下降。

（1）常见板材裂纹是单轴拉伸导致的：船体结构板材在单轴拉伸时的强度%oux计算：

%oux = %lu / %lu0 （2）带初始裂纹的加筋板极限强度分析：

①带有初始裂纹的加筋板在失稳扩展时的极限强度计算：

式中：为板材料的断裂韧性，为加筋板裂纹尖端应力强度因子降低系数，c计及加筋板加强影响的当量半裂纹长度，可由（7）式导出：

c = Cc. ②在应力分布均匀条件下，加筋板计式中：为加筋板的面积，n为加强筋的个数。

③当板和筋具有相同的极限强度时，带有初始裂纹加筋板的极限强度计算：

式中为初始裂纹对加筋板极限强度的折减系数。

④焊缝开裂对板格极限强度的影响分析：由于船舶加筋板一般采用焊接工艺制作，焊接过程中会造成或大或小的焊接缝隙，以及由于船体在运行过程中的向上或向下使船体处于交变应力之下，容易出现疲劳损伤出现焊接裂缝。

3、局部凹陷。

（1）局部凹陷的基本几何参数：如图：

1、初始缺陷。初始缺陷的形成是由于船体结构在制作过程中采用多种冷热加工工艺引起的初始变形和焊接残余应力。初始缺陷的存在严重影响板材的极限承载能力。最大初始变形的近似计算公式为：

式中：为板材最大初始变形，%lu0为极限强度，%ls为材料的屈服应力，b为板格宽度，t为板格厚度，E为弹性变量。

沿Y方向上焊接的残余应力计算公式为：

式中%lrcx为焊接残余应力。

在充分考虑初始缺陷的情况下，板格极限强度的计算公式为：

%lu = RdRr%lu0， 式中：%lu 为具有初始缺陷板格的极限强度；%lu 0为完好板格的极限强度；Rd和Rr则分别为初始变形和残余应力引起的强度折减系数。

2、初始裂纹。载荷突然加大、板材局部受到撞击等人为失误或是意外加工环境变化都可能使得船体结构板材出现例似裂纹、凹陷等机械损伤，这一类的力学损伤会造成船体承载能力的下降。

（1）常见板材裂纹是单轴拉伸导致的：船体结构板材在单轴拉伸时的强度%oux计算：

%oux = %lu / %lu0 （2）带初始裂纹的加筋板极限强度分析：

①带有初始裂纹的加筋板在失稳扩展时的极限强度计算：

式中：为板材料的断裂韧性，为加筋板裂纹尖端应力强度因子降低系数，c计及加筋板加强影响的当量半裂纹长度Cc. ②在应力分布均匀条件下，加筋板计及裂纹对截面的削弱影响时极限强度的计算：

式中：为加筋板的面积，n为加强筋的个数。

③当板和筋具有相同的极限强度时，带有初始裂纹加筋板的极限强度计算：

式中为初始裂纹对加筋板极限强度的折减系数。

④焊缝开裂对板格极限强度的影响分析：由于船舶加筋板一般采用焊接工艺制作，焊接过程中会造成或大或小的焊接缝隙，以及由于船体在运行过程中的向上或向下使船体处于交变应力之下，容易出现疲劳损伤出现焊接裂缝。

3、局部凹陷。

（1）局部凹陷的基本几何参数：如图：

二、船体结构有缺陷板格敏度分析及可靠度的计算

1、通过结构可靠度理论和使用随机有限元计算分析方法可知，任一失效模式的安全余量的表达公式为：

式中：X为基本随机变量，例如外载、屈服应力等，表示节点位移的向量。

2、利用改进的一次二阶矩法（验算点法）可以计算出比较精确的可靠度指标值。将安全余量在验算点处进行泰勒式展开，取线性项值，求取安全余量的均值、方差以及可靠度指标。

3、综合缺陷对船体结构系统的可靠性指标和设计变量的敏度分析，结构系统的失效概率和对应的可靠性指标的关系：

式中：为失效概率， %[s为可靠性指标，为标准正态分布函数。

4、船体综合缺陷板材的安全余量敏度计算：

通过船体结构各个板格以及结构系统各个部位板材的安全余量敏度分析，可以得出相应的可靠度指标，从而找到结构系统的短板，采取针对性设计进行补救。