基于分形理论的非均匀腐蚀损伤船体板极限强度评估方法研究

摘要

船舶等海洋结构物长时间处于海洋环境中，一直受到海水和大气的侵蚀作用。当船舶服役超过15-20年时，腐蚀损伤对船体结构极限强度的影响会变得格外突出。随着近年来高强钢在造船领域的广泛使用，对含腐蚀损伤船体结构极限承载力的研究显得更为重要。 国内外众多学者对腐蚀损伤板架结构进行了研究，但都没能非常有效的考虑腐蚀位置分布，即腐蚀形貌不规则性对极限强度的影响。本文以高强钢船体板为研究对象，引入分形几何的相关理论，模拟船体板腐蚀表面的不规则形貌，旨在探究腐蚀形貌不规则性对船体板极限强度的影响，并建立更准确的评估方法。 本文的主要研究内容包括：（1）引入分形理论，运用随机中点位移法构造布朗曲面来模拟单面腐蚀船体板的不规则形貌，建立起分形腐蚀损伤模型；（2）针对模拟表面和由扫描仪实测得到的表面分别进行单分形和多重分形特征的实证分析，确定描述腐蚀表面的分形特征参数，并探究各个参数对应于腐蚀形貌的物理含义；（3）对特定尺寸的船体板进行多次的分形腐蚀损伤模拟，并在ABAQUS中建立对应的有限元模型，计算其极限强度；（4）探究多次模拟得到的腐蚀损伤特征参数与极限强度折减因子之间的相关性，选择有效的评价参数拟合极限强度折减因子，并对得到的拟合公式进行误差分析；（5）拓展长宽比与柔度到常见的船体板取值范围，将这两个因素考虑在内，建立适用性更广的极限强度评估方法；（6）综合对比本文的评估方法与其他学者的方法，阐述该拟合公式的有效性。 本文以分形理论为基础建立的布朗表面具有连续性的特征，并以两个参数控制形貌，能模拟出各种起伏程度的曲面，相较于其他学者的方法更贴近于实际的腐蚀形貌。对于拟合得到的评估公式，其确定系数达到了0.9628，说明该评估方法有效地考虑了腐蚀形貌不规则性对船体板极限强度的影响。本文较成功的实现了腐蚀形貌不规则性影响的定量分析，给工程船舶检修提供了新的参考。

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