冰-船随机重复碰撞下结构疲劳累积损伤概率的评估方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种冰

【技术实现步骤摘要】
冰
‑
船随机重复碰撞下结构疲劳累积损伤概率的评估方法


[0001]本专利技术实施例涉及船舶与海洋工程领域疲劳可靠性分析领域，具体涉及一种冰
‑
船随机重复碰撞下结构疲劳累积损伤概率的评估方法。

技术介绍

[0002]近年来随着全球气候不断变暖，极地冰川的消融情况日益严重，在极地进行科学考察、贸易通航、资源开发、游览观光等人类活动也逐渐增多，极地地区对污染很敏感，由于缺乏光照、极低的温度、流冰、大风和其他各种因素，极地的污染将更难消除，因此对在冰区航行船舶的安全性能也提出了更高的要求。
[0003]航区的气候是决定船舶航期的重要原因。在温度较低的月份，海冰覆盖面积较大、冰面较厚，致使船舶很难在该时间航行。在温度逐渐升高后，海冰面积逐渐缩小，海冰以浮冰的形式漂浮在海面上，此时船舶通行性大大提高。
[0004]相比于波致疲劳损伤，冰致疲劳损伤失效尚未得到显著关注。然而在冰区航行的船舶与浮冰的碰撞是不可避免的，不论是由于波浪作用，还是浮冰作用，任何形式的疲劳损坏都可能导致压载物或货物泄漏、进水、船体强度下降，甚至导致更严重的后果，对船舶上的人员安全与设备财产及环境生态安全造成不可挽回的损害。
[0005]现阶段对船
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冰随机重复碰撞的研究大都是针对极地的某一固定海域，且研究方法多为用有限元软件直接进行碰撞模拟，而评估方法多为确定性评估方法。然而，由于船舶航区较广，浮冰的尺寸、分布范围以及浮冰的覆盖率也一直在发生变化，不确定性因素较多，这使得直接应用软件对船舶与浮冰碰撞进行有限元分析较为困难，给开展船舶与浮冰碰撞的结构疲劳累积损伤失效的概率评估带来了一定的挑战。

技术实现思路

[0006]为此，本专利技术实施例提供一种冰
‑
船随机重复碰撞下结构疲劳累积损伤概率的评估方法，通过冰池实验的数据支持，将上述数据预处理后等效处理收集的航行数据，并根据处理后的航行数据对应获得疲劳累积损伤结果，上述过程能够通过有限的实验数据有效模拟计算重复碰撞的疲劳累计损伤评估，且能够评价不同海域，大大提高了整体评估的全面性和准确性。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术的实施方式提供如下技术方案：
[0008]一种冰
‑
船随机重复碰撞下结构疲劳累积损伤概率的评估方法，包括：
[0009]S100、模拟数据集的获取：通过冰池实验，对应获得船舶在多种不同冰密集度下航行的冰载荷数据；
[0010]S200、模拟数据的预处理：对步骤S100中获得的多组冰载荷数据进行处理，获得不同冰密集度下冰
‑
船碰撞下疲劳校核点的应力时程曲线，对应获得相应的应力幅值分布情况；
[0011]S300、航行数据的收集和处理：根据待评估船舶航行的海区情况，收集海区内预设
时间段的冰密集度数据，得到待评估船舶在预设时间段内于该海区不同冰密集度中航行的概率，获得航行数据，并将得到的航行数据与冰池实验的实验条件进行比较与等效处理后，得到参考航行情况，且参考航行情况至少包括在不同冰密集度下航行的概率，并记为p
j
；
[0012]S400、疲劳累积损伤值的计算：依据S
‑
N曲线的经验公式，结合步骤S300中得到的参考航行情况，计算得到疲劳累积损伤结果。
[0013]作为本专利技术的一种优选方案，在得到疲劳累积损伤评估结果后，还包括引入不确定变量，对得到的疲劳累积损伤评估结果进行可靠性评估。
[0014]作为本专利技术的一种优选方案，步骤S100中，冰池实验选择的冰密集度至少包括50％、70％和90％。
[0015]作为本专利技术的一种优选方案，步骤S200中，多组冰载荷数据为采用有限元计算方式进行处理。
[0016]作为本专利技术的一种优选方案，有限元计算方式具体包括：将得到的冰载荷数据导入到有限元软件进行计算，并将冰池实验中船舶模型的尺度比与时间的尺度比进行换算，根据有限元软件中得到的应力云图判定出易发生疲劳损伤的疲劳校核位置，选取疲劳校核位置中的多个疲劳校核点，计算输出多个所述疲劳校核点的应力时程曲线，将得到的所述应力时程曲线应用瑞利分离法来识别冰载荷作用下的结构响应峰值，以减轻外界干扰并大幅减少了计算时间。
[0017]作为本专利技术的一种优选方案，步骤S200中的应力幅值分布情况为采用雨流计数法获得。
[0018]作为本专利技术的一种优选方案，步骤S300中的待评估船舶在非冰池试验所选取的冰密集度的航区的等效处理为采用加权计算等效权重，且加权计算公式为：
[0019][0020]其中，IC为所选取的航区的冰密集度，i为对应的冰池试验所选取的冰密集度数据，包括0％,50％,70％,90％，其中0％是为了考虑开阔海域，ω
i
为权重。
[0021]作为本专利技术的一种优选方案，步骤S400中，对于疲劳累积损伤结果的计算为采用Corten
‑
Dolan累积损伤准则，且疲劳累积损伤结果为累积多个分区时间段的疲劳累积损伤，且每个所述分区时间段的疲劳累积损伤记为d
j
；
[0022]通过所述分区时间段和一年时长的比例，得到对应一年的损伤值，记为D
j
；
[0023]通过结合步骤S300的航区数据，得到一年中待评估船舶在参考航区不间断航行的损伤值，记为D0，且D0的计算公式为：
[0024]其中，D
j
表示在冰密集度为j的条件下不间断航行1年的损伤值，p
j
为一年中在冰密集度为j的条件下的航行概率；
[0025]对应得到待评估船舶的预测疲劳寿命，记为T
Y
，且待评估船舶的预测疲劳寿命的计算公式为：
[0026]其中，D为疲劳累计损伤度，在确定性计算中常取为1。
[0027]作为本专利技术的一种优选方案，步骤S400中，还包括对待评估船舶的疲劳失效概率
的计算，且计算方法具体包括：
[0028]S401、根据计算预测疲劳寿命的概率分布；
[0029]S402、取安全裕度方程为：
[0030]S403、将步骤S402中的安全裕度方程等号两边同时取对数，当ln Z>0时，结构处于可靠状态，ln Z<0时，结构处于失效状态，当ln Z＝0时，结构处于极限状态，其中ln Z<0的事件概率为结构失效概率；
[0031]S404、根据可靠性理论，按照计算疲劳可靠性指标，得到船舶结构疲劳失效的概率为p
f
＝P(T
y
<T
D
)＝1
‑
Φ(β)；其中，
[0032]T
D
为设计寿命，β为疲劳可靠性指标，B为随机变量，结构发生破坏时的D＝D
f
。
[0033]作为本专利技术的一种优选方案，所述不确定变量至少包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冰
‑
船随机重复碰撞下结构疲劳累积损伤概率的评估方法，其特征在于，包括：S100、模拟数据集的获取：通过冰池实验，对应获得船舶在多种不同冰密集度下航行的冰载荷数据；S200、模拟数据的预处理：对步骤S100中获得的多组冰载荷数据进行处理，获得不同冰密集度下冰
‑
船碰撞下疲劳校核点的应力时程曲线，对应获得相应的应力幅值分布情况；S300、航行数据的收集和处理：根据待评估船舶航行的海区情况，收集海区内预设时间段的冰密集度数据，得到待评估船舶在预设时间段内于该海区不同冰密集度中航行的概率，获得航行数据，并将得到的航行数据与冰池实验的实验条件进行比较与等效处理后，得到参考航行情况，且参考航行情况至少包括在不同冰密集度下航行的概率，并记为p
j
；S400、疲劳累积损伤值的计算：依据S
‑
N曲线的经验公式，结合步骤S300中得到的参考航行情况，计算得到疲劳累积损伤结果。2.根据权利要求1所述的一种评估方法，其特征在于，在得到疲劳累积损伤评估结果后，还包括引入不确定变量，对得到的疲劳累积损伤评估结果进行可靠性评估。3.根据权利要求1或2所述的一种评估方法，其特征在于，步骤S100中，冰池实验选择的冰密集度至少包括50％、70％和90％。4.根据权利要求1或2所述的一种评估方法，其特征在于，步骤S200中，多组冰载荷数据为采用有限元计算方式进行处理。5.根据权利要求4所述的一种评估方法，其特征在于，有限元计算方式具体包括：将得到的冰载荷数据导入到有限元软件进行计算，并将冰池实验中船舶模型的尺度比与时间的尺度比进行换算，根据有限元软件中得到的应力云图判定出易发生疲劳损伤的疲劳校核位置，选取疲劳校核位置中的多个疲劳校核点，计算输出多个所述疲劳校核点的应力时程曲线，将得到的所述应力时程曲线应用瑞利分离法来识别冰载荷作用下的结构响应峰值，以减轻外界干扰并大幅减少了计算时间。6.根据权利要求5所述的一种评估方法，其特征在于，步骤S200中的应力幅值分布情况为采用雨流计数法获得。7.根据权利要求1或2所述的一种评估方法，其特征在于，步骤S300中的待评估船舶在非冰池试验所选取的冰密集度的航区的等效处理为采用加权计算等效权重，且加权计算公式为：其中，IC为所选取的航区的冰密集度，i为对应的冰池试验所选取的冰密集度数据，包括0％,50％,70％,90％，其中0％...

【专利技术属性】
技术研发人员：余杨，吴静怡，张凌波，余建星，苏晔凡，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：