考慮腐蝕影響船舶結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度研究.pdf

1、腐蝕是導(dǎo)致老齡船舶結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一。自上世紀(jì)70年代末以來，考慮腐蝕影響的船舶結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度研究日益受到理論界、工程界的重視。 目前，該方面課題研究重心已由討論線性、非線性均勻腐蝕的影響逐步向評估局部腐蝕，尤其是點(diǎn)蝕影響的方向轉(zhuǎn)移。但由于對點(diǎn)蝕成因、機(jī)理及其擴(kuò)散機(jī)制的認(rèn)識還不夠完善，加之點(diǎn)蝕數(shù)據(jù)的缺乏，故迄今仍未有被普遍接受的合理、實(shí)用化的點(diǎn)蝕模型出現(xiàn)。且在各類型載荷作用下，受蝕構(gòu)件蝕坑的幾何要素，如：蝕坑深度、蝕坑直徑、蝕

2、坑形態(tài)等對構(gòu)件極限強(qiáng)度的具體影響還存在諸多模糊、爭議之處，有待進(jìn)一步明晰。 有鑒于此，本論文以受腐蝕影響的船舶基本結(jié)構(gòu)為研究對象，主要完成了以下幾方面工作內(nèi)容： (1)對本課題所涉及主要層面的研究現(xiàn)狀，包括：碳鋼、低合金鋼海洋環(huán)境腐蝕；船舶結(jié)構(gòu)腐蝕檢測與數(shù)據(jù)處理；現(xiàn)有各類腐蝕模型；考慮腐蝕影響的極限強(qiáng)度與可靠性評估等，進(jìn)行了簡要綜述。并對本領(lǐng)域今后研究工作的大致發(fā)展方向做出了基本判斷。 (2)對影響船舶構(gòu)件腐蝕的

3、主要自然環(huán)境因素與營運(yùn)因素進(jìn)行討論，研究并總結(jié)了共同結(jié)構(gòu)規(guī)范中關(guān)于船舶結(jié)構(gòu)腐蝕余量選取的理論基礎(chǔ)與技術(shù)背景。在此基礎(chǔ)上，提出船舶結(jié)構(gòu)三級腐蝕數(shù)據(jù)庫構(gòu)想，并對其定義、劃分、性能特征及組成要素等作了初步規(guī)劃。這為今后相關(guān)規(guī)范條文的進(jìn)一步深入研究與改進(jìn)、建立適宜于我國海區(qū)及營運(yùn)船舶實(shí)際情況的構(gòu)件腐蝕數(shù)據(jù)庫工作提供了參考。 (3)討論了現(xiàn)有各類結(jié)構(gòu)均勻腐蝕模型的合理性、擬合能力及其相應(yīng)的適用范圍；分析了不同船舶壽命下所選取腐蝕模型的不同

4、對構(gòu)件腐蝕余量的影響。通過實(shí)際算例，探討并演示了船舶構(gòu)件腐蝕余量選取的通用性處理方法。 (4)依據(jù)點(diǎn)蝕基本原理，對海水全浸條件下鋼材的點(diǎn)蝕進(jìn)程作了簡要敘述與推斷，并基于國內(nèi)常用船舶結(jié)構(gòu)鋼海水全浸帶試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)，建立了物理意義明確、數(shù)值確定較為簡便的最大蝕坑深度時(shí)變模型。此外，進(jìn)一步對海水環(huán)境因素，如：溶解氧濃度、平均溫度、鹽度、PH值等，以及鋼種成分變化對該模型各參數(shù)的影響進(jìn)行了探討，得出了相應(yīng)函數(shù)關(guān)系式與結(jié)論。 (5)

5、基于點(diǎn)蝕生長原理與相關(guān)文獻(xiàn)、實(shí)船檢測結(jié)果，對實(shí)船點(diǎn)蝕結(jié)構(gòu)兩類主要蝕坑形態(tài)的形成及其隨船齡演化情況作了解釋，認(rèn)為遭受點(diǎn)蝕船舶構(gòu)件的蝕坑形態(tài)與其所處位置、服役時(shí)間等密切相關(guān)，而將點(diǎn)蝕徑深比處理成時(shí)變函數(shù)是有其理論和事實(shí)依據(jù)的。與實(shí)船檢測數(shù)據(jù)、點(diǎn)蝕最大深度模型相結(jié)合，建立了適用于圓錐型蝕坑的徑深比時(shí)變模型，并對其函數(shù)形式的選擇及其適用范圍進(jìn)行了討論。 (6)結(jié)合船舶結(jié)構(gòu)鋼點(diǎn)蝕最大深度時(shí)變模型相關(guān)內(nèi)容，以及鋼材海洋環(huán)境點(diǎn)蝕最大深度統(tǒng)計(jì)特

6、征、單位面積蝕坑數(shù)及分布等方面的研究綜述，提出了船舶結(jié)構(gòu)鋼點(diǎn)蝕多參數(shù)概念模型。同時(shí)，對今后船舶結(jié)構(gòu)點(diǎn)蝕數(shù)據(jù)采集的側(cè)重點(diǎn)提出了相應(yīng)建議。 (7)針對軸壓作用下點(diǎn)蝕平板單元開展了系列化的非線性有限元模擬計(jì)算。認(rèn)為就承壓結(jié)構(gòu)而言，點(diǎn)蝕現(xiàn)象對其承載能力的削弱不僅體現(xiàn)在幾何要素的直接減少，更在于對其結(jié)構(gòu)對稱性的破壞而引起穩(wěn)定性的削弱。四邊簡支軸壓板受蝕所引起體積損失量為其極限強(qiáng)度主要控制因素，且極限強(qiáng)度與其細(xì)長比β密切相關(guān)?；诖苏J(rèn)識，擬

7、合得出了適用于圓錐蝕坑和球冠蝕坑的點(diǎn)蝕板軸壓極限強(qiáng)度計(jì)算式。 (8)以拉伸載荷作用下點(diǎn)蝕平板單元極限強(qiáng)度為研究對象，通過系列化的有限元模擬計(jì)算及相關(guān)數(shù)據(jù)整理分析，認(rèn)為四邊簡支點(diǎn)蝕板拉伸極限強(qiáng)度由最小板橫截面積決定，并擬合得出了點(diǎn)蝕板極限強(qiáng)度與橫截面積損失之間的關(guān)系計(jì)算式。本論文的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在船舶點(diǎn)蝕多參數(shù)模型的建立與蝕坑各要素對點(diǎn)蝕板極限強(qiáng)度的影響上。具體有如下三個(gè)方面： (1)建立了物理意義明確、數(shù)值確定較為簡便的

8、船舶結(jié)構(gòu)鋼海洋環(huán)境最大蝕坑深度時(shí)變模型。與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾?，該模型對點(diǎn)蝕進(jìn)程的描述更為合理、精確；與Melchers物理模型相比，該模型在遵循點(diǎn)蝕機(jī)理的前提下，為一連續(xù)函數(shù)，且參數(shù)較少、確定更為簡便。 (2)對實(shí)船結(jié)構(gòu)蝕坑主要形態(tài)的形成、發(fā)展做出了合理解釋，建立了適用于實(shí)船圓錐型蝕坑的點(diǎn)蝕徑深比時(shí)變模型。并提出了船舶結(jié)構(gòu)鋼點(diǎn)蝕多參數(shù)模型的概念。 (3)通過系列有限元計(jì)算分析，全面討論了蝕坑幾何形態(tài)及各參數(shù)，如坑深、徑深比