非均匀腐蚀损伤对船体板架结构极限强度的影响研究

Under the condition of corrosion damage, buckling ultimate strength of plates and stiffened plates is the most important indicators of in-service ship structures safety. However, due to the damage state of hull corrosion is random, it is impossible to establish a fine corrosion model with complicated stochastic characters in the category of Euclidean geometry. The existing assessment of buckling ultimate strength could not fully reflect the true stochastic characters of non-uniform pitting corrosion. .By the study on evaluation model of non-uniform pitting damage with fractal characteristics, the purpose of this project is to establish the method for evaluating the ultimate strength of plates and stiffened plates based on the fractal dimension of corrosion volume and pitting non-uniformity. By the research of fractal characteristics of corrosion damage morphology, a method for evaluating the ultimate strength based on the fractal dimension model of corrosion volume is established. Then, on the study of multi-fractal spectrum in multiple scale free areas, the model of pitting non-uniformity is established to construct the multi-parameters evaluation method of ultimate strength. Based on the approaches above, the evaluation method is extended to assess the ultimate strength of stiffened plates by the research of characteristics of grooving corrosion and the equivalent flexibility models for the plates and stiffeners.

腐蚀损伤状态下船体结构的极限强度是衡量在役船舶极限承载能力及安全性的重要指标之一。然而由于船体腐蚀损伤状态的随机性较强，现有的非均匀腐蚀损伤条件下船体结构极限强度的评估方法很难全面反映极限承载能力的真实状态。本课题旨在通过对具有分形特征的非均匀腐蚀损伤评估模型的研究，建立以腐蚀体积分维模型和点蚀不均匀度分维模型为参数的船体结构极限强度评估方法。拟通过对腐蚀损伤形貌分形特性的研究，建立基于腐蚀体积分维模型的极限强度评估方法；继而通过对多个无标度区内的多重分形谱模型研究，建立描述点蚀分布不均匀度的多重分形谱模型，形成综合考虑腐蚀体积损失和点蚀不均匀度影响的极限强度评估方法。在此基础上，通过对加筋板等结构的非均匀腐蚀分形特征及板、筋等效柔度的研究，建立非均匀腐蚀损伤条件下的加筋板结构的极限强度评估方法。

船体结构在服役期内会遭受不同程度的腐蚀损伤，这对船体结构的安全性能有很大的影响。现有的评估方法一般采用板厚的等效均匀折减来表征其对极限强度的影响，但忽略了腐蚀的不均匀程度所带来的影响，分析表明这会降低极限强度评估的准确性。.在船体板腐蚀形貌的随机特征模拟方面，本项目运用随机中点位移法，构造了布朗曲面模拟腐蚀船体板的不规则形貌。通过对船体板的实测数据分析，获取了腐蚀形貌的统计特征，在此基础上应用随机中点位移法构建的表面腐蚀状态与实际结构在统计特征上相一致；相比于传统的随机场方法，该方法更具实用性。此外，本项目通过研究发现船体板的实测数据表明其概率特征服从高斯分布，这与韩国学者Paik等人所提出的非高斯统计特征模型存在差别。造成这种差异的原因是本项目研究针对的是单一的船体板的形貌统计特征；Paik等人是基于船舶特检过程中船体板腐蚀测厚数据得出的统计特征。而对于船体板的极限强度评估而言，本项目所获得的统计特征更具有效性。.在腐蚀的非均匀特征方面，本项目通过引入分形理论，建立了描述船体结构腐蚀不均匀程度的分形特征指标，其中包括船体板腐蚀形貌的单分形特征指标和多重分形特征指标两大类。本项目通过数值模拟分析和试验测试，分别验证了这两类分形指标在极限强度评估中的有效性和准确性，相比于传统方法而言，本项目中所采用的方法能够较好地提升极限强度评估的准确性；其中，多重分形特征指标的评估效果要好于单分形特征指标。.在含腐蚀损伤加筋板结构的极限强度评估方面，本项目重点针对加筋板的失效模式开展研究，确定了梁柱型屈曲、带板屈曲和加强筋侧倾的识别方法、发生机制及演变规律。通过分析梁柱型屈曲、带板屈曲、筋腹板屈曲、筋侧倾的失效机理，得到与极限强度成反相关的四个力学性能参数，筋柔度、带板柔度、筋腹板高厚比和筋侧倾柔度四个参数指标，并将其用于加筋板失效模式识别与极限承载力评估中，基于此项研究设计开发了相关的评估软件。