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1、中国科学:物理学力学天文学2010年第40卷第10期:1256~1266《中国科学》杂志社SCIENTIASINICAPhys,Mech&Astronwww.scichina.comphys.scichina.comSCIENCECHINAPRESS论文具有多种缺陷的船舶结构系统的可靠性分析①*①②安海,安伟光,赵维涛①哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院,哈尔滨150001;②沈阳航空工业学院航宇学院,沈阳110034*E-mail:anhai@hrbeu.edu.cn收稿日期:2010-03-11;接受日期:2010-06-25摘要本文分析了含有初始变形、焊接残
2、余应力、裂纹和局部凹陷等多种缺陷对板的极限强度的影响,给出了该板单元的可靠性计算和敏度分析的表达式.对含有多种缺陷板单元组成的结构系统,进行了可靠性分析,给出结构系统的失效机理、失效路径和总体可靠性指标的计算方法.推出了含有多种缺陷板元失效后,对残余结构影响的反向节点力计算公式,及系统可靠性指标的敏度表达式.保证了计算精度和可靠性分析的合理性,同时也便于找到影响结构系统可靠性的薄弱板单元.最后通过船舶结构的一个舱段,对比开展了含有多种缺陷与不含缺陷的结构系统的可靠性计算及敏度分析,以说明本文提出方法的有效性.该文提供的方法为结构系统的设计及制定合理的维修和更新策
3、略提供了参考.关键词初始变形,焊接残余应力,裂纹和局部凹陷,极限强度,反向节点力,敏度表达式,可靠性分析PACS:21.10.Jx,46.90.+s,46.15.-x船体结构在制作过程中由于采用各种冷热加工1各种缺陷板的极限强度分析工艺,因此在板格中会引起初始变形和残余应力,通1.1初始缺陷(初始变形和焊接残余应力)板格的极常把初始变形和残余应力称之为初始缺陷,初始缺[1~7]限强度陷的存在会降低板格的极限承载能力.另外由于人为的操作失误或意外的环境条件,很可能遭遇到1.1.1初始缺陷的经验公式各种力学损伤,如偶然荷载、局部撞击等等.这将导[9]Smith等人提
4、出了最大初始变形的近似计算公[8]致板元的机械损伤,结构损伤也能使承载能力降低.式为上述缺陷的综合作用,有可能导致灾难性的后果.因⎧0.025λ2,轻微情况,此对含有缺陷结构的可靠性评估问题,一直是工程wopl⎪2=⎨0.1λ,一般情况,(1)t上所关心的热点.这一问题对结构使用中的安全预⎪20.3λ,严重情况,⎩测,及提供维修和更新的决策有重要作用.本文针对bσs含有这些缺陷的板单元,及组成的结构系统开展可式中:wopl板格的最大初始变形;λ=板格的tE靠性分析.柔度,并近似认为板的极限强度σ等于材料的屈服u0引用格式:安海,安伟光,赵维涛.具有多种缺陷的船舶
5、结构系统的可靠性分析.中国科学:物理学力学天文学,2010,40:1256~1266中国科学:物理学力学天文学2010年第40卷第10期bbσσsu0应力σ,则λ=≅;b板格的宽度;t板stEtE格的厚度;σ板格的屈服应力;E弹性模量.s[9]Smith等人同样提出了沿X方向上焊接引起的残余应力σ的近似公式为rcx⎧−0.05轻微情况图1裂纹形式示意图σrcx⎪=−⎨0.15一般情况(2)(a)中心穿透裂纹;(b)边缘穿透裂纹σs⎪⎩−0.3严重情况(ⅰ)中心裂纹时:而Y方向的残余应力σ可以用如下的近似公式得到,rcyϕσσ=uxuu0即2=−1.27953.4
6、973(cb)8.9739(+cb)bσ=σ.(3)34(9)rcyxrc11.9747(−+cb)5.2302(cb);a这样在实际设计过程中,就可通过上述的几个公式得(ⅱ)边缘裂纹时:ϕσσ′=到近似的焊接残余应力.uxuu02=−1.2814.0452(cb)6.6161(+cb)1.1.2考虑初始缺陷板格的极限强度经验公式34(10)5.194(−+cb)1.3546(cb).文献[10]中,给出有初始缺陷的板格极限强度的式中:ϕ和ϕ′为强度折减系数;σ,σ分别表示uxuxuuo计算公式,如下具有裂纹板元和没有裂纹板元的极限强度.σ=RRσ,(4)udr
7、u0式中:σu和σu0具有初始缺陷板格和完好板格的极限1.2.2裂纹对加筋板极限强度影响分析强度;R和R初始变形和残余应力引起的强度折减带有初始裂纹缺陷的加筋板如图2所示,由断裂dr系数,有力学的方法可求得加筋板裂纹失稳扩展时的极限强[12,13]0.911度,如下:⎛⎞woplRf=−10.2433()()αλf⎜⎟,(5)d12K⎝⎠tσ=C,(11)uCccbππsec(/)23Rf()α=−2.051.376ααα+0.366−0.0345,(6)1式中:K板材料的断裂韧性,可由材料手册查得;2C⎧2.282.568−+λλ1.288,1.0≤λ≤1.9
8、,⎪2CR加筋板裂纹尖端
