超大型油船破損剩余強度可靠性分析

許建平吳劍國彭文科洪 英蒲映超

（1.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 杭州310032；2.中國船級社上海規(guī)范研究所 上海200135）

超大型油船破損剩余強度可靠性分析

許建平1吳劍國1彭文科2洪 英2蒲映超2

（1.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 杭州310032；2.中國船級社上海規(guī)范研究所 上海200135）

根據(jù)MARPOL公約, 對CSR-H規(guī)定的破口范圍進行概率分析。以一艘超大型油船為例，分別統(tǒng)計了單艙破損后各個肋位的靜水彎矩概率特征和基于全球海況譜的一周波浪彎矩預(yù)報值；基于Smith法的船體梁極限彎矩計算軟件，分別統(tǒng)計了各艙破損后極限彎矩的概率特征；采用改進一次二階矩法，計算了各艙破損后的剩余強度可靠度。研究結(jié)果表明：機艙和首尾貨艙發(fā)生破損后整船失效概率較低，中部貨艙區(qū)域發(fā)生破損后整船失效概率較大，尤其在靜水中垂破損工況下最危險，失效概率在10-2量級。

剩余強度；可靠度；超大型油船

引 言

CSR（Common Structural Rules）油船在營運過程中可能會發(fā)生碰撞和擱淺事故，為了救援和防止海洋污染，船體必須保持足夠水平的剩余強度［1］。由于破損范圍、位置、尺寸的隨機性以及裝載工況、波浪載荷都具有明顯的不確定性，因此需要采用結(jié)構(gòu)可靠性方法進行破損剩余強度的評估［2］。

近年來，各大船級社均提出了評估船舶破損后剩余強度的規(guī)范要求。ABS規(guī)范［3］確定了事故需要校核損傷的區(qū)域和范圍，對碰撞損傷，需要校核剖面模數(shù)和剪力；對擱淺損傷，只需要校核剖面模數(shù)；DNV規(guī)范［4］確定的損傷體積比ABS規(guī)范要大，而且其對單、雙舷側(cè)和單、雙層底船型都作了規(guī)定，并制定破損后極限彎矩的評估準(zhǔn)則。IACS（國際船級社協(xié)會）的CSR規(guī)范對極限強度提出了要求，CSR-H（Harmonised Common Structural Rules）規(guī)范［5］對破損后的船體極限強度提出了要求。

本文根據(jù)MARPOL公約［6］，對CSR-H規(guī)定的破口范圍進行概率統(tǒng)計，并以一艘VLCC（Very Large Crude Carrier）油船為例，分別統(tǒng)計了各艙破損后靜水彎矩、波浪彎矩及極限彎矩的概率特征；根據(jù)改進一次二階矩法，評估了當(dāng)前CSR油船破損后的剩余強度可靠度水平［7］。

1 CSR-H規(guī)定的破損范圍對應(yīng)的破損概率

船舶破損的位置和破損程度對其剩余強度起到至關(guān)重要的作用，根據(jù)MARPOL公約關(guān)于破損概率密度函數(shù)的描述，可以得到不同破損范圍和破損深度的累計失效概率（見圖3 至圖6），其中CSR-H規(guī)定的破損范圍（見圖1、圖2和表1）對應(yīng)的累計概率見表2。

圖1 CSR-H碰撞破損計算模型圖

圖2 CSR-H擱淺破損計算模型

表1 CSR-H碰撞、擱淺損傷范圍表

圖3 碰撞破損范圍累積分布

圖4 碰撞穿透深度累積分布

圖5 船體梁擱淺破損橫向范圍累積分布

圖6 船體梁擱淺破損垂向范圍累積分布

表2 CSR-H規(guī)范破損工況對應(yīng)的累計概率

2 船體破損后剩余強度可靠度分析

破損后的船體梁剩余強度極限狀態(tài)方程：

式中：Mu、Ms和Mw分別為破損后船體梁的極限強度、靜水彎矩及波浪彎矩三個隨機變量為模型不確定性系數(shù)，一般認為符合正態(tài)分布。

下面以某VLCC油船為例，統(tǒng)計其破損后的靜水彎矩、波浪彎矩及極限彎矩的概率特征，計算破損后剩余強度的可靠度。

2.1 破損后靜水彎矩計算

對該破損油船，在37種不同可能裝載工況下，先采用NAPA軟件算出縱向每個艙室單獨進水時的平衡水線，計算出該艙的進水量和全船靜水彎矩；再對其與許用靜水彎矩的比值進行數(shù)理統(tǒng)計。通過檢驗，認為該船破損后靜水彎矩與許用靜水彎矩的比值服從正態(tài)分布，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差見圖7和圖 8。圖中，中拱（中垂）碰撞為靜水中拱（中垂）狀態(tài)下發(fā)生碰撞的工況；中拱（中垂）擱淺為靜水中拱（中垂）狀態(tài)下發(fā)生擱淺的工況；下同。

由圖7、圖8可見，油船中部貨艙區(qū)域破損后，其實際靜水彎矩值與許用靜水彎矩比值的均值約為0.5～0.85，機艙與首尾貨艙破損后的剩余強度有較大富裕量，其均值約為0.3～0.4；標(biāo)準(zhǔn)差在0.25～0.5間。

2.2 破損后波浪彎矩計算

IACS規(guī)定船舶破損后應(yīng)保證一周的救援時間。考慮到船舶破損相對于整船而言是個不大的區(qū)域，在不計舷內(nèi)外水交換的情況下，本文忽略強幾何非線性和載荷非線性，采用WALCS軟件計算破損后船舶的波浪彎矩。設(shè)定船舶破損后航速為0、航向角任意，對該油船進行3小時的波浪彎矩短期預(yù)報和基于全球海況譜的一周波浪彎矩預(yù)報；再根據(jù)極值理論，得出該油船的極值I型波浪彎矩值，從而確定極值I型分布的兩個參數(shù)及其均值、標(biāo)準(zhǔn)差。

利用WALCS軟件對油船的水平彎矩進行短期預(yù)報，波浪載荷短期預(yù)報服從瑞利分布，其概率分布函數(shù)：

極值I型分布的統(tǒng)計參數(shù)：

結(jié)果表明：一周WALCS軟件計算值與一周極值I型彎矩預(yù)報值比較接近。其均值兩值偏差的平均值為0.66%。

2.3 破損后極限彎矩計算

本文基于Smith法計算船體梁的剩余極限強度［8］。對于破損船體，由于破損處的舷側(cè)外板、舷側(cè)肋板以及扶強材構(gòu)件退出工作，其剩余剖面是不對稱的，中和軸不僅會發(fā)生平動還會發(fā)生轉(zhuǎn)動，這時，中和軸的位置應(yīng)根據(jù)力的平衡來判定?？紤]鋼材屈服應(yīng)力的變異性（見表3），采用Rosenblueth法統(tǒng)計破損船體的極限強度概率特征，結(jié)果表明油船中間剖面碰撞、擱淺破損后的剩余極限強度相對于完整剖面，強度下降量在20%之內(nèi)，變異系數(shù)在0.06～0.07之間。

表3 鋼材屈服應(yīng)力的變異性

2.4 可靠度計算結(jié)果

利用上述的靜水彎矩、波浪彎矩以及極限彎矩特征值，采用改進一次二階矩法計算該船破損后的剩余強度的失效概率［9］，并與完整工況失效概率進行比較，結(jié)果見圖9、圖10。圖中，中拱（中垂）完整即原完整船體靜水中拱（中垂）狀態(tài)下的工況。

圖9 各艙靜水中拱破損工況失效概率

圖10 各艙靜水中垂破損工況失效概率

從圖9和圖10可看出，對于油船中部貨艙區(qū)域，靜水中垂?fàn)顟B(tài)下碰撞、擱淺破損后，整船失效概率大概在10-3～10-4量級，比完整狀態(tài)的靜水中垂工況失效概率大1個量級，靜水中垂破損工況比較危險；靜水中拱狀態(tài)下的碰撞、擱淺破損后，整船失效概率大概在10-2量級，與完整狀態(tài)的靜水中拱工況的失效概率相當(dāng)。

3 結(jié) 論

通過對VLCC油船各隨機變量概率統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)從保證率來看，CSR-H的破損范圍累計概率約70%～80%。機艙和首尾貨艙發(fā)生破損后，整船失效概率較低；而中部貨艙區(qū)域發(fā)生破損后，整船失效概率較大，尤其在靜水中垂破損工況下最危險，失效概率在10-2量級。今后，擬將進一步開展基于多艘實船數(shù)據(jù)，采用時域分析軟件計算波浪彎矩、船舶破損后航速對波浪彎矩的影響，縱向多艙破損后的可靠度，以及破損后船體梁的剪切強度的可靠度等問題的研究。

［1］ 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范 ［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［2］ 祁恩榮，崔維成 船舶碰撞和擱淺后剩余強度可靠性評估［J］.船舶力學(xué)，1999（5）：40-46.

［3］ ABS Rules for Building and Classing Steel Vessel Rules［S］. Houston：［s.n.］，2013.

［4］ DNV Rules for Classification of Ships［S］.Norway：［s.n.］，2013.

［5］ Harmonised Common Structural Rules ［S］.London：［s.n.］，2013.

［6］ The International Convention for the Prevention of Pollution From Ships［S］.［S.l.］：［s.n.］，1973.

［7］ Hussein A W，Soares C G. Reliability and residual strength of double hull tankers designed according to the new IACS common structural rules［J］. Ocean Engineering， 2009（17）：1446-1459.

［8］ 蘇鑫，吳劍國，洪英. 破損船體的剩余極限強度分析 ［J］. 造船技術(shù)，2012（1）：16-19.

［9］ 伍友軍，王曉宇.某雙殼油船總縱極限強度計算與分析 ［J］.船舶，2013（5）：17-20.

Reliability analysis of residual strength of VLCC

XU Jian-ping1WU Jian-guo1PENG Wen-ke2HONG Ying2PU Ying-chao2
(1. College of Architectural & Civil Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032, China; 2. Shanghai Rules & Research Institute, CCS, Shanghai 200135,China)

According to MARPOL Convention, this paper analyzes the probability of the damage extent which is specified by CSR-H rules. Taking a VLCC as an example, it adds up its probability characteristics of still water bending moment of each frame for a single damaged cabin, and calculates the predicted value of wave bending moment during a week based on global sea spectrum. It also counts the probability characteristics of the ultimate bending moment for the each damaged cabin by a software for the calculation of ship beam ultimate bending moment with Smith method, and calculates the reliability of its residual strength by the improved FOSM method. The analysis results show that the failure probability for the whole tanker is small when the engine room and fore and aft cargo hold are damaged, however, it becomes bigger when the central cargo hold area is damaged. In particular, the working condition of the sagging damage in still water is most dangerous with a failure probability in order of 10-2.

residual strength; reliability; VLCC

U661.43

A

1001-9855（2014）05-0046-04

2013-12-20 ；

2014-02-13

許建平（1988-），男，碩士，研究方向：船體結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。

吳劍國（1963-），男，教授，研究方向：船體結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。

彭文科（1962-），男，高級工程師，研究方向：船體結(jié)構(gòu)規(guī)范研究。

洪 英（1963-），男，高級工程師，研究方向：船體結(jié)構(gòu)規(guī)范研究。

蒲映超（1986-），男，工程師，研究方向：船體結(jié)構(gòu)規(guī)范研究。