超大型油船破损剩余强度可靠性分析

许建平吴剑国彭文科洪 英蒲映超

（1.浙江工业大学建筑工程学院 杭州310032；2.中国船级社上海规范研究所 上海200135）

超大型油船破损剩余强度可靠性分析

许建平1吴剑国1彭文科2洪 英2蒲映超2

（1.浙江工业大学建筑工程学院 杭州310032；2.中国船级社上海规范研究所 上海200135）

根据MARPOL公约, 对CSR-H规定的破口范围进行概率分析。以一艘超大型油船为例，分别统计了单舱破损后各个肋位的静水弯矩概率特征和基于全球海况谱的一周波浪弯矩预报值；基于Smith法的船体梁极限弯矩计算软件，分别统计了各舱破损后极限弯矩的概率特征；采用改进一次二阶矩法，计算了各舱破损后的剩余强度可靠度。研究结果表明：机舱和首尾货舱发生破损后整船失效概率较低，中部货舱区域发生破损后整船失效概率较大，尤其在静水中垂破损工况下最危险，失效概率在10-2量级。

剩余强度；可靠度；超大型油船

引 言

CSR（Common Structural Rules）油船在营运过程中可能会发生碰撞和搁浅事故，为了救援和防止海洋污染，船体必须保持足够水平的剩余强度［1］。由于破损范围、位置、尺寸的随机性以及装载工况、波浪载荷都具有明显的不确定性，因此需要采用结构可靠性方法进行破损剩余强度的评估［2］。

近年来，各大船级社均提出了评估船舶破损后剩余强度的规范要求。ABS规范［3］确定了事故需要校核损伤的区域和范围，对碰撞损伤，需要校核剖面模数和剪力；对搁浅损伤，只需要校核剖面模数；DNV规范［4］确定的损伤体积比ABS规范要大，而且其对单、双舷侧和单、双层底船型都作了规定，并制定破损后极限弯矩的评估准则。IACS（国际船级社协会）的CSR规范对极限强度提出了要求，CSR-H（Harmonised Common Structural Rules）规范［5］对破损后的船体极限强度提出了要求。

本文根据MARPOL公约［6］，对CSR-H规定的破口范围进行概率统计，并以一艘VLCC（Very Large Crude Carrier）油船为例，分别统计了各舱破损后静水弯矩、波浪弯矩及极限弯矩的概率特征；根据改进一次二阶矩法，评估了当前CSR油船破损后的剩余强度可靠度水平［7］。

1 CSR-H规定的破损范围对应的破损概率

船舶破损的位置和破损程度对其剩余强度起到至关重要的作用，根据MARPOL公约关于破损概率密度函数的描述，可以得到不同破损范围和破损深度的累计失效概率（见图3 至图6），其中CSR-H规定的破损范围（见图1、图2和表1）对应的累计概率见表2。

图1 CSR-H碰撞破损计算模型图

图2 CSR-H搁浅破损计算模型

表1 CSR-H碰撞、搁浅损伤范围表

图3 碰撞破损范围累积分布

图4 碰撞穿透深度累积分布

图5 船体梁搁浅破损横向范围累积分布

图6 船体梁搁浅破损垂向范围累积分布

表2 CSR-H规范破损工况对应的累计概率

2 船体破损后剩余强度可靠度分析

破损后的船体梁剩余强度极限状态方程：

式中：Mu、Ms和Mw分别为破损后船体梁的极限强度、静水弯矩及波浪弯矩三个随机变量为模型不确定性系数，一般认为符合正态分布。

下面以某VLCC油船为例，统计其破损后的静水弯矩、波浪弯矩及极限弯矩的概率特征，计算破损后剩余强度的可靠度。

2.1 破损后静水弯矩计算

对该破损油船，在37种不同可能装载工况下，先采用NAPA软件算出纵向每个舱室单独进水时的平衡水线，计算出该舱的进水量和全船静水弯矩；再对其与许用静水弯矩的比值进行数理统计。通过检验，认为该船破损后静水弯矩与许用静水弯矩的比值服从正态分布，其均值和标准差见图7和图 8。图中，中拱（中垂）碰撞为静水中拱（中垂）状态下发生碰撞的工况；中拱（中垂）搁浅为静水中拱（中垂）状态下发生搁浅的工况；下同。

由图7、图8可见，油船中部货舱区域破损后，其实际静水弯矩值与许用静水弯矩比值的均值约为0.5～0.85，机舱与首尾货舱破损后的剩余强度有较大富裕量，其均值约为0.3～0.4；标准差在0.25～0.5间。

2.2 破损后波浪弯矩计算

IACS规定船舶破损后应保证一周的救援时间。考虑到船舶破损相对于整船而言是个不大的区域，在不计舷内外水交换的情况下，本文忽略强几何非线性和载荷非线性，采用WALCS软件计算破损后船舶的波浪弯矩。设定船舶破损后航速为0、航向角任意，对该油船进行3小时的波浪弯矩短期预报和基于全球海况谱的一周波浪弯矩预报；再根据极值理论，得出该油船的极值I型波浪弯矩值，从而确定极值I型分布的两个参数及其均值、标准差。

利用WALCS软件对油船的水平弯矩进行短期预报，波浪载荷短期预报服从瑞利分布，其概率分布函数：

极值I型分布的统计参数：

结果表明：一周WALCS软件计算值与一周极值I型弯矩预报值比较接近。其均值两值偏差的平均值为0.66%。

2.3 破损后极限弯矩计算

本文基于Smith法计算船体梁的剩余极限强度［8］。对于破损船体，由于破损处的舷侧外板、舷侧肋板以及扶强材构件退出工作，其剩余剖面是不对称的，中和轴不仅会发生平动还会发生转动，这时，中和轴的位置应根据力的平衡来判定。考虑钢材屈服应力的变异性（见表3），采用Rosenblueth法统计破损船体的极限强度概率特征，结果表明油船中间剖面碰撞、搁浅破损后的剩余极限强度相对于完整剖面，强度下降量在20%之内，变异系数在0.06～0.07之间。

表3 钢材屈服应力的变异性

2.4 可靠度计算结果

利用上述的静水弯矩、波浪弯矩以及极限弯矩特征值，采用改进一次二阶矩法计算该船破损后的剩余强度的失效概率［9］，并与完整工况失效概率进行比较，结果见图9、图10。图中，中拱（中垂）完整即原完整船体静水中拱（中垂）状态下的工况。

图9 各舱静水中拱破损工况失效概率

图10 各舱静水中垂破损工况失效概率

从图9和图10可看出，对于油船中部货舱区域，静水中垂状态下碰撞、搁浅破损后，整船失效概率大概在10-3～10-4量级，比完整状态的静水中垂工况失效概率大1个量级，静水中垂破损工况比较危险；静水中拱状态下的碰撞、搁浅破损后，整船失效概率大概在10-2量级，与完整状态的静水中拱工况的失效概率相当。

3 结 论

通过对VLCC油船各随机变量概率统计分析，发现从保证率来看，CSR-H的破损范围累计概率约70%～80%。机舱和首尾货舱发生破损后，整船失效概率较低；而中部货舱区域发生破损后，整船失效概率较大，尤其在静水中垂破损工况下最危险，失效概率在10-2量级。今后，拟将进一步开展基于多艘实船数据，采用时域分析软件计算波浪弯矩、船舶破损后航速对波浪弯矩的影响，纵向多舱破损后的可靠度，以及破损后船体梁的剪切强度的可靠度等问题的研究。

［1］ 中国船级社.钢质海船入级规范 ［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［2］ 祁恩荣，崔维成 船舶碰撞和搁浅后剩余强度可靠性评估［J］.船舶力学，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］ 苏鑫，吴剑国，洪英. 破损船体的剩余极限强度分析 ［J］. 造船技术，2012（1）：16-19.

［9］ 伍友军，王晓宇.某双壳油船总纵极限强度计算与分析 ［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

许建平（1988-），男，硕士，研究方向：船体结构设计研究。

吴剑国（1963-），男，教授，研究方向：船体结构设计研究。

彭文科（1962-），男，高级工程师，研究方向：船体结构规范研究。

洪 英（1963-），男，高级工程师，研究方向：船体结构规范研究。

蒲映超（1986-），男，工程师，研究方向：船体结构规范研究。