具有缺陷板的船体极限强度可靠性分析

论文摘要

船体结构在建造和使用过程中很可能产生结构性缺陷（如初始变形、凹陷、开孔、裂纹等）,由于设计和使用的需要,有些船板需要开孔,这些因素导致船体结构可靠性降低,而其中的某些缺陷可能产生危险的后果,导致事故发生。因此,从安全的角度考虑,如何精确地估算船体结构的实际承载能力以及产生缺陷后的极限剩余强度,并更科学、更合理地进行船舶结构设计和计算,已成为当今船舶力学界研究的一个热点课题。本文围绕这些问题开展的具体工作如下:1.结合板的非线性控制方程和有限元计算结果,讨论了具有初始缺陷（初始变形和焊接应力）、凹陷缺陷、开孔缺陷、裂纹缺陷板格的极限强度公式。给出了以完整结构极限强度和缺陷为参数的板格极限强度公式,从而便于建立具有缺陷结构的安全余量,为具有缺陷结构的可靠性分析提供理论基础。2.给出了结构可靠性敏度分析方法,分析了各种缺陷因素（初始缺陷、凹陷、开孔、裂纹）对板格极限强度可靠性指标的影响。分析表明:（1）对于具有初始缺陷的板格,无论板格柔度如何,都应严禁使用具有严重初始变形的板格,严格控制使用具有一般初始变形的板格,尽量减少使用具有轻微初始变形的板格。在板格柔度较小时,尽量减小焊接残余应力,在板格柔度相对较大时,应严格控制焊接残余应力;（2）对于具有凹陷的板格,要严格控制凹陷直径的大小,合理控制凹陷的深度;（3）对于具有开孔的板格,应尽量开圆孔,减小开孔尺寸,以保证板格具有足够的安全裕度;（4）对于具有初始裂纹的板格,无论载荷和裂纹的形式如何都应严格控制裂纹尺寸。3.结合具有缺陷板格的极限强度公式,给出了具有缺陷的板元减缩刚阵和反向节点力的显性表达式,为结构系统在失效过程中的力学分析提供参考,使残余结构的力学分析更加符合工程实际。4.建立随机船舶结构可靠性分析的一般模型,将结构力学计算的基本变量,如位移、弹性模量、单元的几何参数等直接放到安全余量中,使安全余量的数学模型更贴近原始状态（不是简单写成抗力和内力的关系,如Z=R（抗力）-S（内力））,给出了用基本变量显示的表达式,提高结构系统可靠性的计算精度。结合某型船舶的结构形式,考虑板格初始缺陷、凹陷、开孔、初始裂纹等因素,对某型船舶结构中的一个舱段进行具有缺陷结构的系统可靠性分析,并与完整结构系统可靠性进行比较。分析表明,由于缺陷的存在,舱段结构系统可靠度有明显的降低,特别是在假定的具有几何变形部位处板的可靠性指标降低的程度更大。因此,要严格控制初始缺陷的大小使其在一般缺陷范围内,对于重要结构一定要将缺陷控制在小缺陷范围内。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的目的和意义
• 1.2 国内外研究与发展状况
• 1.2.1 结构可靠性发展综述
• 1.2.2 具有缺陷结构的国内外研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 结构可靠性的基本理论
• 2.1 引言
• 2.1.1 功能函数
• 2.1.2 结构可靠性指标与失效概率
• 2.2 结构可靠性指标的计算
• 2.2.1 一次二阶矩法
• 2.2.2 求解可靠性指标的其他方法
• 2.3 结构系统可靠性分析方法
• 2.3.1 结构系统失效概率的计算方法
• 2.3.2 等效安全余量
• 2.4 本章小结
• 第3章 具有缺陷船体板的极限强度分析
• 3.1 引言
• 3.2 初始缺陷分析
• 3.2.1 初始几何变形
• 3.2.2 初始焊接残余应力
• 3.2.3 初始缺陷的经验公式
• 3.3 考虑初始缺陷的板极限强度
• 3.3.1 板格极限强度的标准和校核
• 3.3.2 板的非线性控制微分方程
• 3.3.3 纵向载荷和侧向载荷共同作用下的板格极限强度分析
• 3.3.4 考虑初始缺陷板格的极限强度经验公式
• 3.4 具有局部凹陷板的极限强度分析
• 3.4.1 局部凹陷的几何模型
• 3.4.2 有限元计算
• 3.4.3 结果分析与经验公式
• 3.4.4 讨论
• 3.5 开孔对板格极限强度的影响
• 3.5.1 开孔的几何特征
• 3.5.2 有限元建模
• 3.5.3 计算结果与讨论
• 3.6 含有初始裂纹板的极限强度分析
• 3.6.1 板在单轴拉伸时强度分析
• 3.6.2 板在双轴拉伸时强度分析
• 3.6.3 裂纹对加筋板极限强度影响分析
• 3.6.4 讨论
• 3.7 本章小结
• 第4章 结构可靠性的敏度分析
• 4.1 引言
• 4.2 可靠性的敏度分析
• 4.2.1 安全余量的可靠性指标对设计变量的敏度分析
• 4.2.2 结构系统可靠性指标的敏度分析
• 4.3 具有初始缺陷船体板可靠性的敏度分析
• 4.3.1 考虑初始几何缺陷船体板的可靠性敏度分析
• 4.3.2 具有局部凹陷船体板的可靠性敏度分析
• 4.3.3 具有开孔船体板的可靠性敏度分析
• 4.3.4 具有初始裂纹船体板的可靠性敏度分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 具有缺陷的船体结构可靠性分析
• 5.1 船舶结构有限元分析
• 5.1.1 船舶结构有限元模型
• 5.1.2 船舶结构有限元单元的选取
• 5.2 船舶结构基于随机有限元的可靠性分析
• 5.2.1 Taylor展开随机有限元法
• 5.2.2 船舶结构随机变量处理
• 5.2.3 梁元安全余量的建立
• 5.2.4 板元安全余量的建立
• 5.2.5 刚阵的减缩及反向节点力
• 5.3 具有缺陷的船舶结构可靠性分析
• 5.3.1 缺陷因素的处理
• 5.3.2 系统可靠性分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 一.创新性
• 二.结论
• 三.展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历