腐蚀对可靠性影响

考虑腐蚀影响的XX结构可靠性研究1 引言结构失效是指结构在外部载荷的作用下，由于发生变形、断裂等使结构不能完成既定的功能的现象。

XX主要承受静水压力作用，且反复上浮和下潜，所以失效形式主要有：（1）强度不足；（2）屈曲；（3）疲劳破坏。

这些失效模式都受到海水腐蚀的影响。

据统计，潜艇如静止于水中，其艇体钢材每年被腐蚀的深度约为0.1~0.2毫米；如在航行中则平均每年被腐蚀的深度可达0.25毫米，而蚀坑最大平均深度可达0.5毫米以上。

个别保护不当的XX的腐蚀程度将更严重。

例如我国南海某XX一次远航归来，发现艉水平舵周围的框架严重腐蚀，非耐压壳排水管周围的钢板也被腐蚀透了。

有的XX下水不到两年，非耐压壳体被腐蚀得不能继续使用了。

腐蚀的存在不仅增加了XX进坞的次数，而且会使部分构件的几何尺寸减小，导致其抵抗变形和破坏的能力严重下降，甚至还有可能形成新的疲劳源，使疲劳寿命大大降低。

腐蚀是一个非常复杂的物理化学现象，其机理尚未完全清楚。

对于XX结构腐蚀而言，受到材料、海洋环境、腐蚀保护系统、海洋生物等因素的影响。

从目前日本、韩国、美国的科研人员得到的船舶结构实测数据来看：腐蚀量的尺寸分布带很宽，腐蚀量的统计标准差甚至大于平均值；最大腐蚀量比平均值高得多；油漆涂层的寿命对腐蚀影响很大。

腐蚀量呈现出高度的离散性。

从宏观上来讲，XX结构的腐蚀可以分为整体腐蚀和局部腐蚀。

前者主要体现在板厚逐年均匀减小，承载能力下降。

后者又可分为点腐蚀、沟槽腐蚀。

局部腐蚀将引起板壳泄漏，但一般不会对整体承载能力造成明显的影响（夏兰廷，2003）。

本课题讨论腐蚀的目的在于其对强度和疲劳的影响，因此这里所指的腐蚀主要是整体腐蚀。

目前解决XX腐蚀问题常用的方法是采用平均年腐蚀量方法。

根据XX的服役期限，在强度稳定性计算的基础上参考年平均腐蚀量把壳板的厚度额外增加几个毫米，或者把腐蚀对XX结构强度和稳定性的影响计入到安全系数中，以保证XX在服役期间的安全（谢祚水，2002）。

这种方法没有考虑油漆涂层的影响，直接把腐蚀看作是随时间线性增长的一个函数。

这是一种简单易行的方法，但不符合实际的腐蚀规律。

年腐蚀量并不是一个确定的数值，腐蚀也不会无限制的进行下去，这已被实验所证实。

根据海水腐蚀规律，已经提出了许多非线性腐蚀模型。

并且这些模型已经用于老龄船舶的结构可靠性评估。

实际XX设计中采用的这种安全系数法（即目标强度指标和实际载荷效应的比值要大于或等于所要求的安全系数），用一个大于1的系数模糊的表示了该结构的强度储备值，一般由经验确定，因此带有较强的主观性。

实际上，决定结构或构件的载荷效应因素多为随机变量，仅仅用一个安全系数不足以表示一个结构的安全程度。

因此随着可靠性分析方法在航空航天以及土木工程方面的发展，有必要采用可靠性方法来研究XX结构安全性问题。

结构可靠性理论应用于XX结构出现较晚，其创始人是英国的Faulkner,他首先提出了应用可靠性方法进行XX结构设计，随后众多学者对XX结构可靠性进行了系统的研究，建立了一套完整的XX结构可靠性理论。

指出了：1影响XX 结构可靠性的基本随机变量除了载荷P外，还有模型不确定性、材料弹性模量E、 、耐压船体半径R、壳板厚度t、肋骨间距l、肋骨截面尺寸、舱段屈服强度s总长L、耐压壳板及肋骨的不圆度等；2对随机变量进行了敏感性分析，估计了它们对XX结构可靠性的影响大小；3认为XX结构存在以下五种破坏模式；肋间壳板局部失稳、肋骨屈服、耐压船体壳板屈服、肋骨侧倾及端盖破坏；4认为XX结构总的失效概率为各种破坏模式失效概率之和。

基本上与此同时，国内的学者也对结构可靠性理论应用于XX结构设计进行了初步的研究。

郝刚，曾广武（1991）将可靠性理论和方法用于XX结构的分析及设计之中，导出了全概率法和近似概率法进行XX耐压壳体稳定性失效可靠性分析的基本公式和方法，并进行了实例分析。

（全概率方法不是真正的全概率方法，类似于均值一次二阶矩法；近似概率法实际上就是均值一次二阶矩法，只是计算时采用了优化设计的方法，归结为一个约束最小值问题。

）蔡新刚（1991）对潜艇耐压壳结构屈曲强度进行了可靠性分析。

孙欣（1993）简述了XX耐压结构经典设计法，指出由经典设计法走向概率设计法的必然性，提出了XX耐压结构概率设计的理论依据，以及耐压结构可靠性设计的目的、方法和有待深入研究的一些问题。

郭日修（1992）分析了XX建造和操纵过程中的不确定性因素，给出了在XX结构设计中采用可靠性的设计方法是合理的结论。

李晴，冯文山（1994）对XX耐压圆柱壳进行了可靠性分析。

按照Faulkner 的分析，考虑了肋骨和壳板总体失稳，肋间板失稳，肋骨屈服，肋间壳屈服，肋骨侧向失稳五种失效模式。

在计算壳板失稳和舱段整体失稳时采用大挠度公式来考虑物理非线性和初挠度的影响，在计算肋骨的应力时考虑了初挠度引起的弯曲应力。

系统的可靠性计算采用了Faulkner提出的直接相加法。

但载荷的计算采用了确定值来计算。

最后，给出了三个计算实例。

张伟等人（2000）采用了直接积分的方法（采用全概率方法），计算了XX 耐压圆柱壳结构五种失效模式（分别是相邻肋骨跨中壳板纵剖面中面周向应力强度不足、肋骨端壳板内表面纵向应力强度不足、肋骨应力强度不足、相邻肋骨间壳板失稳、舱段总体失稳）单独的可靠性以及几个失效模式组合的系统可靠性。

吴剑国、吴亚舸等使用JC法（一种常用的一次二阶矩法）计算了普通环肋圆柱壳（五种失效模式）和实肋板式耐压液舱结构（六种失效模式）的强度可靠性和稳定性可靠性，使用重要样本法、方向抽样法对JC法计算的可靠性进行了数值模拟，使用概率网格估算法、方向抽样法、方向等分法分析了耐压结构的系统可靠性，并进行了XX结构系统可靠性计算更精确、更高效方法的研究。

这些研究主要集中XX结构设计可靠性的研究，没有把腐蚀对XX结构的劣化作用考虑在内，也没对XX结构疲劳可靠性进行研究。

本课题拟在现有的研究基础上，考虑腐蚀对XX结构强度、稳定性和疲劳的影响，采用结构可靠性的理论对潜艇结构进行分析。

这种分析更加接近实际情况，理论计算结果，可以为XX的设计、维修提供参考。

2 实施途径2.1 腐蚀对XX结构强度和稳定性的影响对于XX结构，按照《XX结构设计计算方法》所提供的普通环肋圆柱壳强度和稳定性校核的5个公式作为基本的极限状态方程。

通过腐蚀数据对现有的非线性腐蚀模型进行研究，建立适合XX 结构的腐蚀模型。

由腐蚀模型给出壳板随时间变化的函数。

根据腐蚀模型和5个强度、稳定性校核公式建立XX 考虑腐蚀影响的极限状态方程。

由于这些结构极限状态函数都比较复杂，是高度非线性的，且失效模式之间具有相关性，且实际XX 的失效概率很小、随机变量较多，计算复杂。

常规的结构可靠性计算方法，是一种近似计算方法，在极限状态函数是高度非线性情况下会造成很大误差。

采用数值模拟方法来计算结构可靠性，有时也会存在计算时间过长的问题。

所以，进行腐蚀对XX 结构可靠性研究应该分成两步进行。

第一步进行不考虑腐蚀影响的XX 结构可靠性计算，得到可靠性计算的有效方法；第二步进行腐蚀模型的确定，在第一步计算的基础上进行考虑腐蚀影响的XX 结构可靠性研究。

结合XX 结构的五种不确定因素：材料性能的不确定性、几何尺寸的不确定性、载荷的不确定性、模型的不确定性、腐蚀的不确定性，进行每一种失效模式的可靠性计算。

2.2 XX 结构疲劳可靠性XX 结构在均匀外压作用下，主要受到压应力的作用，但在有些部位由于结构的不连续性（如锥柱结合部位），会出现拉应力作用。

由于表面往往受到很大的拉应力作用，裂纹一般在表面萌生。

表面裂纹一般用半椭圆型裂纹来描述。

在本课题组以前的研究基础上，考虑焊接残余应力影响、焊趾应力集中影响、圆柱壳曲率影响和环向应力的影响，采用等效应力强度因子法或等效厚度方法结合Paris 公式来计算随机载荷作用下的XX 结构表面裂纹的扩展。

半椭圆形裂纹是二维裂纹，沿深度方向和表面方向都有扩展。

沿表面扩展的长度不会很长，但在深度方向却会穿透厚度，使耐压壳体不满足水密要求而失效。

由于裂纹相对于XX 的尺寸很小，裂纹扩展过程中引起的局部板厚减薄对强度和稳定性的影响可以忽略不计。

并且假设腐蚀和疲劳裂纹的扩展之间没有耦合作用，它们对XX 结构的影响是线性叠加关系。

这样就可以采用断裂力学的方法建立疲劳的极限状态方程()()N a t d t G F --=0。

其中0t 为原始板厚，()t d 为腐蚀量；()N a 裂纹沿深度方向的扩展长度。

对于裂纹的循环次数N 和XX 的服役时间t 之间可以假设存在这样的关系y N N t =，y N 为XX 每年的平均下潜次数。

这样就可以建立关于时间的极限状态方程()()t a t d t G F --=0。

对于()t a 的计算必须通过循环迭代的方法求的，表达式为：()∑⋅=∆+=yN t i i a a t a 10。

i a ∆表示为：mi j j i a Y S C a ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆⋅⋅⋅∆⋅=∆∑-=11π，其中Y 为形状因子，S ∆为应力范围。

假设每一次下潜都是从水面下潜到一定深度，S ∆可以表示为下潜深度的函数()h f S =∆，对于具体的结构形式可以通过理论计算或弹塑性有限元分析得到。

可以假设i a ∆服从正态分布（可以通过有效性检验），均值和标准差可以通过改进Rosenbluth 法来近似计算。

从而可以确定()t a 的分布形式和特征参数。

通过结构可靠性方法求解()()t a t d t G F --=0，可以得到XX 结构的疲劳可靠性。

采用断裂力学方法研究XX 结构的疲劳问题，需要知道XX 在整个服役过程中的载荷-时间历程。

一般情况下这种资料是不容易获得的，可以根据相关研究获得XX 长期下潜深度服从的分布形式（Weibull 分布，截尾正态分布）。

通过Monte Carlo 方法可以获得一系列抽样样本来作为一个可能的下潜载荷时间历程。

也可以不按照这样做，直接取一个最危险情况，假设每次XX 都是由水面下潜到工作深度，把载荷作为恒幅情况来处理。

这样在计算应力强度因子的时候可以直接采用Newman-Raju 公式来处理。

其它计算过程和上面所述的随机情况下是一样的。

这样可以得到一种简化算法。

简化后的方法是一种偏于保守的方法，计算量较随机情况下可以少很多。

2.3 XX 结构系统可靠性通过上面的方法可以获得考虑腐蚀情况下耐压环肋圆柱壳结构三种强度失效模式、两种稳定性失效模式和一种疲劳失效模式的可靠性指标。

对于这六种失效模式，只要有一种失效模式出现就可以导致XX 损毁。

所以，XX 结构是一个由六个失效模式组成的串联系统。

并且由于这些失效模式之间存在公用的随机变量，他们之间是相关的。