(英文翻译)油船意外搁浅时船体纵向强度可靠性分析

1译 文学 院：专 业：学 号：姓 名：指导教师：2油船意外搁浅时船体纵向强度可靠性分析R.M. Lus, A.P. Teixeira, C. Guedes Soares海洋技术中心和工程（CENTEC）,里斯本技术大学，高级研究员，里斯本，葡萄牙摘要： 本文提出了一个损坏的苏伊士型双壳油轮的可靠性分析，采用的是一阶可靠性研究方法。文中分析的意外搁浅情况假定发生在平板龙骨中心，这是最坏的情况。公式中使用的损坏油轮的极限强度是通过特定的结构代码计算出来的，其中的破坏模拟了去除损坏单元。通过分析不同大小的破坏来确定与极限强度有关的可靠性指标之间关系。波浪引起的载荷是从有关“全球浪潮统计”资料库长期分布中计算得来。静水载荷是从船舶装载手册中确定。接着进行研究关于影响损坏的船舶的极限弯矩的可靠性指标的参数。关键字：结构可靠性 船体梁极限强度 意外搁浅 剩余强度 随机性载荷1、 简介在海上的船舶结构安全一直是船舶营运的重要方面。为了能够评估船舶的结构安全，有必要来评估船的强度并且定义概率模型来表征结构强度评估的可预期变化。鉴于此，船体梁纵向强度一直是一个主要问题，因为垂直弯矩是船舶结构承受的最高载荷之一，并用于确定船体横截面的构件尺寸，由此确定剖面模数。因此，通常船体结构可靠性的分析仅需考虑能否承受这个载荷。对船舶极限强度破坏影响的一些研究已经进行。Paik 23 等人开发出一种快速方法来评估美国航运局制定的受损情况下的船体梁崩溃。Gordo 和 Guedes Soares 8，Ziha和Pedisic29，Fang 和Das 4，已经研究了简化方法计算出垂直极限弯矩来预测损坏船的纵向极限弯矩。在这些研究中普遍采用的方法是：确定船上的受损区域，移除该区域内的元素，用简化方法重新计算极限强度。发现受损区域的宽度很明显影响了船舶的极限强度。然而，船舶意外损坏可能在许多情况下发生，其中最令人关注的两个分别是与其他船舶发生碰撞和搁浅。迄今为止，一些作家发表了有关受损船舶的可靠性评估的研究5。因此，本研究的目的是提出一种可能的方法来计算一艘受损船的可靠性。因为该方法能快速和有效的适用下列破坏，因此有必要建立船舶的船体可靠性和影响船体梁受损极限弯矩和载荷（波浪弯矩和静水弯矩）之间的联系。在这项研究3中，通过使用极限状态函数的剩余强度指标，有可能为极限弯矩建立这样的联系。未受损船和受损船受的载荷之间的关系需要通过流体力学的方法在特定的载荷和受损情况下计算确定。然而，本研究中，受损船上载荷是根据荷载组合因素的比值来确定的。此外，还要考虑到环境条件和船舶受损的时间长短。关于这个问题的出版材料（损坏的船荷载组合系数）几乎是不存在的。在这项研究中被认为最常见的三种载荷情况（LC）是全负载（FL） ，压载负荷（BL）和部分负荷（PL） 。2.破坏和船舶特性2.1. 船舶特性这里分析的船舶为双壳苏伊士型油轮，满足所有的船级社对这类型船只的现代规则。表1是该船只的主尺度。表1 主尺度表2 船舶运行剖面表2是船舶的运行剖面，这是一个已被普遍接受的油轮 28。为了计算极限弯矩，使用的简化方法基于smith方法 9。为此，船体梁必须分成独立的纵向单元，这样做是考虑把每一个单元对船舶及其相关板块的加强，至于节点处的板，余下的板被规定为单个单元，如图1所示。图2给出了横截面模型，被分为加强筋的板单元，舱底单元没有加强筋，但他们被分成两个单元，以便更好地模拟船舶横截面的总体特征。所有节点设为硬角，这将在下面关于极限强度的章节里解释。4图 1 把船分割成小单元后的截面图图2 船舶分段被划分成加强的板单元（完整的分段）本文所考虑的损害相当于在平板龙骨区域的意外搁浅，这被认为是最坏的情况，虽然不是最有可能发生一种情况。由于船舶分段划分为多个单元，如果考虑周围的龙骨受损区域，那么在这方面的单元被认为已破坏。本文采用简化的方法来处理损害，是大部分船级社推荐的。其基本假设是：已损坏的部分受力可以通过从完整的部分简单地删除损坏的元素，并重新计算其极限弯矩。这就是说所有损坏的元素对船体梁没有力的作用。显然，这是一个保守的方法，因为损坏的部分仍有可能产生一些力。裂纹沿船体扩展的可能性被忽视了，这是研究受损船一个的重要方面，但它不属5于本研究范围。本文使用的对损害扩展的定义是以 ABS 的建议为基础的1。但是，尽管假设靠近横向末端的损害的渗透可以减少，为了模拟出这引起损害物体形态（水下岩石，另一船头等等） ，为了达到简化的目的，本项研究中的渗透被当成是常量。对于此船使用一种或另一种方法是没有区别的但是，如果两端受损区域在纵向桁材上，这项研究中假设的简化方法会导致大量数据的丢失，如图 3 所示。尽管如此，按规则考虑的该区域是有问题的，虽然它可以用于设计的目的，但是它使更多简单定义的矩形损害受到了限制，为了快速评估意外事故下极限强度对船体完整性的影响，也许在未来，当“智能材料”和传感器变得更便宜，这也将是一种选择，但目前矩形限制是最合理的选择。图3 由于这项研究的情况没有实际的船舶，所用的长方形极限是从那些在建议中取的1。图4给出了所采用的受损区域，因此这矩形高度的3/4H（其中H为双层底高度） ，而主要破坏高度为H，这第二种情况，具有较高的渗透，模拟的重大事故将造成货物泄漏。宽度等于B / 6（均为B是宽） ，变化范围在 20之内。6图4 破坏大小在这些单元被去除之后，图5给出了在一般破坏下的截面图，图6给出了在重大破坏下的截面图。图5 损坏的船体部分（上：20；中：0；下：20）7图6 船体重大损坏部分（上：20；中：0；下：20）3.极限强度船的极限强度计算使用的是 HULLCOLL 程序，开发使用该方法的是 Gordo 等人9。这是一个以增量互动形式为主的简化方法，通常被称为 Smith 法26。Gordo 等人的方法还被 Billingsley 3、 Rutherford 和 Caldwell24采用。但所使用的单元思想是 Gordo 和 Guedes Soares 7 的一种建议。该方法可以时刻计算曲率变化关系，从中可以判断极限弯矩，也就是最大弯矩。这种方法能够计算时刻与曲率的关系，从中可以判断极限弯矩，这就是最大弯矩。这个弯矩是通过一对船体的瞬时中性轴的增量部分曲率来计算的。从强加的曲率，可以得到在该船舶每单元的应变，并从每个元素的应力应变关系，我们可以从中获取每一个压力，再乘上每个单元的面积就可以得到每个单元上的载荷。通过考虑由此产生的力（这应该是零）我们可以重新计算瞬时中性轴的位置。这样收敛迭代过程的结果使中性轴的位置集中于一点。在 Gordon 等人9的情况下，每个作者对使用的收敛因子都有自己的意见。这是一个比601A小的合力（其中 0是屈服强度和该截面的一个总面积）以及在中性轴的偏移估计小于 4。完成此操作后，考8虑到离中性轴的距离的元素是可以通过其荷载引起的弯矩来计算的。给定曲率的弯矩等于每个单元引起弯矩的和。为了应用的方法，做出如下假设：- 这些单元是独立的。- 当曲率应用时该船舶的截面假设保持平面。- 为避免整体倒塌横向框架足够强。由于第一假设的节点单元（该节点也被称为角）的行为不能得到满意的解释，因为它是受相邻元素屈曲状态影响的。通常被认为是不理想的解决方案是因为模型为硬角。硬角就是当被压缩时有一个完美弹塑性行为的单元。构件的净尺寸按船级社规范计算。在任何情况下，腐蚀的厚度不应该用在发生意外事故时，因为对于发生事故的船体，可能没有任何办法，它是不可能测量的。考虑到前面定义的伤害，有七个不同的条件导致了不同的最终弯矩，这些都列于表3。表 3 垂直极限弯矩与 Fang 和 Das4中定义的一样，最终崩溃定义了一个可以使用的剩余强度指数（RIF）：其中 是损坏截面的极限弯矩， 是损坏部分截面的极限弯矩。该指数对可靠性指标（）参数研究是非常有用的。每个损坏部分的 RIF 值列于表 4。9表 4 剩余强度指数上拱比下垂有更高的强度损失，破坏的大小增加，上拱中的极限弯矩更大。这是由破坏的位置决定的。从船底部移除某单元导致中性轴在高度方向的增加，这增加了船舶在下垂（面积亏损的相反的效果）时的强度，但这一效应导致了在上拱时强度的下降。这就解释了为什么船舶在下垂 RIF 的主要损害是等于损害+ 20” 。图 7 和图 8 分别呈现了上拱和下垂时 RIF 的值。上拱中极限强度的变化基本保持线性变化，而下垂很显然是一个非线性变化。图 710图 8在可靠性分析中使用的极限强度概率模型的定义基础上，该船舶的剩余强度预测的模型是不确定的，以及在极限强度计算中随机变量（ ）的描述也是不确定的。正态分布均值为 1.05 和 0.1 的标准差是用来描述这种不确定性的，如油轮的报告中建议的项目2。4、外加载荷4.1 静水载荷作用静水载荷作用只在完整截面上计算。在载荷分布上对破坏的影响解释了由载荷系数得来的静水弯矩（ ） 。Santos 和 Guedes Soares 25正在开发一种方法，能够计算作为洪灾下的船体破裂，这种方法可以用来确定在静水载荷下适当的值在静水载荷的变化系数（ ） 。静水弯矩假设各不相同，但最终变化单调均匀分布。Guedes Soares 等人 16 提出了在从左舷出发的静水载荷模型的高斯分布。Guedes Soares 和 Dogliani 15 考虑到静水载荷的变化导致航行中石油消耗在出港时的修改。在这项研究中所采取的做法是在 ABS 等船级社2提出的一个，航行中静水载荷的高斯分布值（ ）等于0.7 倍的最大载荷和 0.2 倍标准偏差的最大载荷的平均值。最大负载定义为在给定负载条件 c 下负载非自动航行的最大值。Guedes Soares 和 Moan 17 对运行数据进行了统计分析，提供了正态分布来描11述不同船型静水条件对负载出港的统计参数。Guedes Soares 11 提出了一个交流的过程来形容在静水荷载中时间变化，在此基础上变化的极端的负荷给定时间段（TC）的该船舶在给定的负载条件下，可以通过假设花费之间的航程独立获得，这种关系可表示为分配：其中 是在 时间内的航程。一年内根据表 2 给出的业务概况，航程是 5.4 FL、BL 和 27.4PL。在 时间内的极值的分布，然后可以根据 Gumbel 法则近似为参数 和 ，27中分别给出：其中 是高斯分布的累积概率函数， 是它的概率密度分布函数。该 Gumbel 分布的平均值（ ）和标准偏差（ ）的计算公式：对一个损坏的船舶而言分析其单词航次的可靠性是有意义的，从事故发生到船坞的时刻，这项研究中这种航程持续一个星期。在这种情况下，从（2）式可以看出分布在极端的情况等于在一个航程内的分布。所以，考虑一周的可靠性计算的高斯分布是用来代替 Gumbel 分布的。表 5 和表 6 分别呈现了在上拱和下垂时的静水的分布情况统计矩引起的弯矩。正值代表的上拱时的载荷，负值代表下垂时的载荷。 表 5 上拱时的静水分布参数表 6 下垂时的静水分布参数12在静水弯矩建模（ ）中的不确定性是基于 ABS 等船级社的 2，它被假定为有一个正常的分布，平均值是 1.00，标准差是 0.1。4.2 波浪载荷效应波浪诱导载荷的影响取决于船舶操纵的海洋区域。这项研究中考虑的是两种不同的海洋区域，北大西洋海域 8，9，15 和 16（ATLN -图 9） ，由国际船级社协会 IACS 建议22，欧洲沿海地区 27，28 和 30（非洲经委会沿海地区 ECA 指定 - 图 10） ，这是一个发生意外搁浅更合乎逻辑的地带。该计算是鉴于全球波统计21利用散点图覆盖了这些地区。图 9 北大西洋海域的全球波浪统计13图 10 欧洲沿海的全球波浪统计诱发给定弯矩的波的长期概率分布由 Weibull 模型拟合如下：其中 w 为尺度参数，k 为形状参数。图 11 的一个例子是介绍了对满负荷条件下船舶在非洲经委会 ECA 地区 Weibull 分布的拟合。图 11 在 ECA 地区满负荷条件下的 Weibull 分布该模型描述了在这个时间点上的随机波垂直弯矩超越概率。但是我们感兴趣的是波风荷载最大振幅在 n 在船舶航行周期内的分布。据 Guedes Soares 10在指定时间T 内的极值分布可以由 Gumbel 法所得：14其中 和 分别对 Gumbel 分布的参数。Gumbel 分布的参数可以从 Webull 参数和 n 个航程的周期的平均数 T 中计算出来：在北大西洋的平均波周期大约是 7 秒。鉴于此，考虑了两种可能的情况下损坏的船，一个星期船坞航行（更合乎逻辑的做法） ，诱导弯矩的极端波浪的随机模型被计算出来。由由此产生的值分别列于表 7 和表 8。表 7 北大西洋诱导载荷的极端波浪的随机模型表 8 欧洲沿海诱导载荷的极端波浪的随机模型在波浪弯矩荷载有两种类型的不确定性。第一种是相对于线性结果的 18，第二种是相对于非线性的 13。在静水弯矩的不确定性中采用的模型同样被 ABS2等船级社使用；它们是平均值为 1.00 标准差是 0.1 的正态分布。4.3 载荷组合15可靠性评估取决于对两个荷载组合，这通常比发生在任何时间的两个极大值的总和小。对于完整的船舶以往有像 Guedes Soares 12的研究。然而，本文研究的是意外的情况，这可能与本研究涉及的不同组合。下面的表达式给出用来组合载荷的方法：其中 是静水载荷组合系数， 是波浪载荷组合系数。关于静水载荷系数，通常完整的船舶20认为等于 1.0。ABS 船级社1建议对于损坏的船舶，中拱时应采用 1.1，而中垂时是 0.9。但是，对于完整的船和破损的船的静水载荷的差异并不是那么明显。一般来说，当船舶搁浅时重量增加（它搭载海水） ，而浮力减小。要视在纵向位置和损伤扩展和初始负荷的情况而定，因此，我们不能简单的说增加或减少。此外，如果考虑到初始负载条件可能与抵抗弯矩是相反的（例如，如果一个是研究船的抵抗下垂能力，但是静水载荷是相反的，于是就降低了船舶抵抗载荷的能力）比有一个全新的课题更值得研究。在这项研究中，为了简化负载的增加，就需考虑中拱和中垂这两种情况。使用了三个值，1.0，1.1 和 1.5，第一个是用来计算完整的船舶年运行的可靠性，而另外两个是用来分析静水载荷的可靠性影响。波浪载荷系数取决于船舶的装载情况。不过，Teixeira 和 Guedes Soares 28 Guedes 和 Parunov 19表示，系统的计算表明，该荷载组合的价值不会改变相同运作情况下的载荷变量的幅度。所以，在波浪荷载组合系数的值取决于载荷条件，取满载的 0.92，压载的 0.91，部分载荷的 0.80。ABS 1建议的值 0.5 也被采用，这是适用于北大西洋一个营运年度。这应该给在的损伤情况下装货一个近似数。利用最后一个值获得的可靠性指标将相当于在沿海地区一个星期的航程获得的值。5 可靠性分析5.1 规划这项研究采用的可靠性是基于设计规范中发现的方法。多年来，船级社的规则指定的最小截面模数是从考虑根据纵向的船体弯曲弹性作用，并考虑在甲板上或底部压力将达到屈服应力失败时的结果。因此，可靠性规划是根据 Guedes Soares 14描述的方法。然而，Guedes Soares 等人16提出，在考虑在船体梁可靠性评估中，极限弯矩是一个较为正确的变量，最后，IACS 油船和散货船的共同结构规范在 2005 年通过了规定。在这项研究中使用的在垂向弯矩作用下的船体梁极限状态函数是：16其中 表示极限强度的模型不确定性， 表示非线性波浪载荷的影响， 表示线性波浪载荷的影响， 和 分别表示静水载荷组合系数和波浪组合载荷系数， 表示垂向极限弯矩， 表示静水垂向极限弯矩， 表示波浪弯矩，RIF 表示剩余强度指标。可靠性指标取决于变数，反过来说，取决于使船舶的运行条件而提出了一些假设。这些是列于表 9，每个条件的简短说明如下：表 9 船舶在不同条件下的可靠性指标1、 ATLN1 - 这是传统计算可靠性指标的方法，考虑在北大西洋（ATLN）区船舶一个营运年。2、 ATLN2 - 这种情况是假设由于破坏静水弯矩增加。通过比较 ATLN1，这是可以分析静止水载荷影响的可靠性指标。3、 Rules- 在这种情况下载荷组合是 ABS 1提出的，但只使用最糟糕的情况：增加静水弯矩。4、 ECA1 - 这种情况是船舶在沿海地区营运一年（这对于一个损坏的船是更有可能的情况） 。相对于 ATLN2，它可以分析地区对可靠性指标的影响。5、 ECA2 - 在这种情况是船舶历时一个星期单次航行后，进干船坞进行维修。对于受损船舶来说这是最有可能的情况。6、 ECA3 - 这种情况与前一个类似，但是在一个更大的静水载荷作用下研究损坏的船在这种条件下载荷对可靠性的影响。假设这三个负载条件是独立的，相互排斥的，在一个经营年度中可以发现全球的可靠性指标：其中， 是标准正态分布函数的倒数， 和 是不同载荷条件下的失败的概率。17一个星期的全球可靠性指标没有意义，因为只有在一个给定负载条件下的航行才可以。通过 RIF 的使用可以在船舶的持续损坏和可靠性之间建立关系， ，因此，失败的概率是 。从这些关系，那么可以得到给定破害的可靠性。5.2 计算结果的可靠性可靠性计算均用计算机程序 COMREL 6，使用时间独立一阶可靠性公式。前面条件六提出的中拱和中垂状态都考虑了。图 12 表示了 RIF 和可靠性指标和失效概率之间关系的一个例子。很显然，可靠性指标几乎是对于损坏的船极限弯矩线性变化的。图 12 ECA2 条件下中拱时可靠性指数（）和失败概率（PF）与 RIF 的关系 图 13 和图 14 的分别表示 ATLN1，ATLN2 和 ECA1 在中拱和中垂下的可靠性指标。我们应该记得 ATLN1 和 ATLN2 区别是静水弯矩的不同，第二种情况下更高。ATLN2 和ECA1 之间的区别是考虑的海域分别是北大西洋和欧洲的海岸，第二种情况的波浪载荷弯曲的较前者更高。这是从数字说明，在中拱时静水弯矩减少的可靠性和波浪荷载差不多。在中垂时波浪载荷对可靠性的影响更大。还可以看出，虽然一般情况下在中垂时的可靠性数值比中拱时的值小，胆识最小的值是中拱时（GCMD + 20）获得。发生这种情况是因为中拱时极限弯矩更大，因为相同的破坏情况下 RIF 值比中垂时更小。正如之前所见，这是取决于损害的位置。这清楚的表明在分析受损船时不能只分析中垂情况。根据不同的受损位置和破坏扩展程度可以发现最小的可靠性在中拱时。18图 13 ATLN1，ATLN2 和 ECA1 条件下中拱时的全球可靠性指标图 14 ATLN1，ATLN2 和 ECA1 条件下中垂时的全球可靠性指标19图 15 列出了与船舶压载时的在 ECA1，ECA2 和 ECA3 情况下中拱时的可靠指标。压载是中拱时可靠性值最小的一种负载情况。ECA1 和 ECA2 的区别是第二个考虑的航程持续时间是一个星期，而第一个考虑的是一年。ECA2 的高可靠性是因为波浪弯矩是主要载荷。因此，如果船舶在同一波浪载荷中呆的时间更短，失败的概率就降低一些。这些结果支持了应该把受损船舶尽快送到干船坞这一常识。ECA2 和 ECA3 之间的差异是静止弯矩不同，后者更大。正如之前所见，可靠性指标在中拱时是非常敏感的。图 15 船舶压载时的在 ECA1，ECA2 和 ECA3 情况下中拱时的可靠指标图 16 显示了船舶满载时的在 ECA1，ECA2 和 ECA3 情况下中垂时的可靠指标。满载是中垂时可靠性最小的一种情况。对于中垂的结构可以从中拱中确定出来，但中拱时静水弯矩对可靠性指标的影响比中垂时小。20图 16 船舶满载时的在 ECA1，ECA2 和 ECA3 情况下中垂时的可靠指标图 17 和图 18 是在 Rules 条件下获得的全球可靠性指标与 ECA2 条件下各个负载情况下得到的可靠性指标进行比较。Rules 条件下用的系数出现在 ABS1载荷组合中。这些系数展示了在已知波浪和静水弯矩的受损船情况下，得到在北太平洋运营一年的载荷的简化计算方法。ECA2 联系了一个现实存在的情况（一次航行）与静水载荷的复合系数，与 Rules 中用到的一种情况类似。在中拱时，Rules 情况下得到的值与 ECA2部分负载时得到的值相同，但是低估了传播压载时破坏的影响，这种情况有最小的可靠性值。它给出了比 ECA2 平均值更保守的值，平均差 13.3% 。Rules 条件下的中垂情况不能与任何一种载荷情况相比，低估了部分载荷和满载时破坏的影响。它同样低估了 ECA2 的平均值，平均为 9.8% 。21图 17 Rules 条件和 ECA2 条件下中拱时得到的可靠性指标图 18 Rules 条件和 ECA2 条件下中垂时得到的可靠性指标22表 10 和表 11 为可靠性指标的结果，同时表 12 和表 13 为失效概率的结果。这些数值清楚地表明，增加静水载荷的影响不可忽视。很明显，在压载和部分负载时船舶中拱时比中垂时有更高的可靠性，满载时结果相反。这些信息能够帮助船舶驾驶者判断在出港和进港是改变负载情况是否更可靠。为此目的，船舶在轻量级条件的可靠性研究也应被执行。由于缺少数据这里就不作研究了。表 10 全球可靠性指标表 11 一次航行的可靠性指标23表 12 考虑一年营运时的失效概率 表 13 考虑一次航行时的失效概率6 结论苏伊士型油轮的一个意外搁浅的可靠性分析完毕。这项研究成功的找到了一种方法来建立破坏对船舶极限弯矩的影响和可靠性之间的联系，运用剩余强度指标（RIF） 。RIF 和可靠性指标之间一种从属关系被清楚的确定了。24船舶装载情况是根据船舶在航行过程中在静水载荷和波浪载荷的极值确定的。通过传统方法计算得到的完整船舶的可靠性指数（即在北大西洋22营运一年）与通过欧洲沿海地区干船坞的一个星期的航程得到的相比较。结果表明，载荷组合的静水系数（ ）的可靠性影响很大，应是未来研究的目标。从受损船舶的载荷分布得到所需值的方法需要开发出来。研究还表明，虽然完整船在中垂时的可靠性降低，但是对于受损的船在中拱时有可能找到更小的值。这一切都依赖于受损位置和受损区域的大小。考虑船舶在其他方面受损的新的研究仍然需要进行。负载状态下的可靠性指标的值能帮助决定哪一艘船舶应航行向干船坞。然而，空载船舶还有其他许多船舶，也应得到考虑，因为在这种情况下这些船能从事故地点被拖到干船坞。这将使在航行前分析货物可能转移的优势或劣势。但是，有关船舶的信息的缺乏使得无法计算外加载荷。鸣谢此文已准备刊登在“优秀网络海洋结构-MARSTRUCT” (www.mar.ist.utl.pt/marstruct/) 目前正通过由欧洲联盟增长计划资助的合同项TNE3 - CT 的- 2003 - 506141。作者感谢 Ricardo Pascoal 和 Joko Parunov 的帮助，感谢他们提供了本文的研究数据。