CN117574702A - 新颖c型货物围护系统结构不连续区域抗拉强度确定方法 - Google Patents

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Abstract

一种新颖C型货物围护系统结构不连续区域抗拉强度确定方法，建立新颖C型货物围护系统结构不连续区域的抗拉极限状态方程；确定模型不确定性系数、材料、环境载荷、功能载荷概率特性；建立有限元模型，采用Rosenblueth法计算得到的新颖C型围护系统在结构不连续区域的总应力概率特性；采用可靠度的一次二阶矩法，计算新颖C型围护系统结构不连续区域抗拉强度的可靠度；建立抗拉强度评估准则表达式；采用最小二乘法，确定新颖C型围护系统设计公式的永久载荷分项系数、环境载荷分项系数和结构不连续区域抗拉破坏的最优抗力系数。本发明确定新颖C型货物围护系统结构不连续区域(Y型接头)抗拉强度的设计衡准。

Description

新颖C型货物围护系统结构不连续区域抗拉强度确定方法
技术领域
本发明属于船用压力容器设计衡准领域，涉及一种新颖C型货物围护系统结构不连续区域抗拉强度的确定方法。
背景技术
国际海事组织(IMO)在其《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》(以下简称为IGC规则)中明确限定了新颖C型货物围护系统的功能和定义。新颖C型货物围护系统是一种特殊的压力容器，构造复杂，工作环境为超低温的环境。新颖C型货物围护系统的材料、承受载荷等都存在随机性，它们会对新颖C型货物围护系统的安全性造成一定风险，尤其是结构不连续的(Y型接头区域)，结构不连续区域受力复杂，所得总应力值大，应力值极有可能超出材料的屈服强度，发生塑形变形。如何对新颖C型围护系统，尤其是结构不连续区域进行抗拉极限强度的设计衡准是保证新颖C型围护系统安全性的关键。
发明内容
为了克服已有技术的不足,本发明提供了一种新颖C型货物围护系统结构不连续区域抗拉强度的确定方法，确定了新颖C型液货围护系统的载荷、抗力和模型的随机性，采用可靠性的一次二阶矩方法进行了新颖C型货物围护系统(双体罐、三体罐)的可靠性计算，确定了新颖C型货物围护系统结构不连续区域不同单元的抗拉破坏的目标可靠性。采用最小二乘法，确定了新颖C型货物围护系统的抗拉极限设计衡准的最优分项系数。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种新颖C型货物围护系统结构不连续区域抗拉强度确定方法，包括以下步骤：
步骤S1，建立新颖C型货物围护系统结构不连续区域，即Y型接头的抗拉极限状态方程；
步骤S2，确定新颖C型围护系统结构不连续区域的模型不确定性系数、材料、环境载荷、功能(含自重)载荷概率特性；
步骤S3，建立新颖C型围护系统的有限元模型，采用Rosenblueth法计算得到的新颖C型围护系统在结构不连续区域的总应力概率特性；
步骤S4，采用可靠度的一次二阶矩法，计算新颖C型围护系统结构不连续区域，即Y型接头抗拉强度的可靠度；
步骤S5，建立一个基于可靠性的新颖独立C型液货罐结构不连续区域抗拉强度评估准则表达式；
步骤S6，采用最小二乘法，确定新颖C型围护系统设计公式的功能(含自重)载荷分项系数、环境载荷分项系数和结构不连续区域抗拉破坏的最优抗力系数。
进一步，所述步骤S1中，建立新颖C型货物围护系统结构不连续区域的抗拉极限状态方程：
g(x)＝χbσb-χFσF-χEσE (1)
其中，χb,χF,χE分别为结构不连续区域的抗拉、功能(含自重)、环境模型不确定系数；σb,σF,σE分别为结构不连续区域的抗拉强度、功能(含自重)载荷、环境载荷导致的罐体单元合成总应力。
再进一步，所述步骤S2中，建立新颖C型围护系统的有限元模型，采用Rosenblueth法，计算罐体结构不连续区域总应力(σL+σb+σg)的概率特性，其中，σL为单元薄膜应力；σb为单元弯曲应力；σg为单元峰值应力。
更进一步，所述步骤S3中，采用一次二阶距法对新颖C型围护系统结构不连续区域进行计算，求解方程(1)的可靠度。
所述步骤S4中，综合实际罐体的可靠度计算结果和该系统属于无强度储备能力的延性破坏，新颖C型围护系统不连续区域的目标可靠度为10-4。
所述步骤S5中，建立一个新颖独立C型液货罐强度评估准则：
其中，γF、γE、γR分别为新颖C型货物围护系统结构不连续区域的功能(含自重)、环境、抗力安全分项系数；σGK、σFK、σEK分别为自重、功能、环境载荷在单元合成总应力值，γ0为重要性系数，取1.0，f为许用一阶总体膜应力，Rm为标定的室温下抗拉强度下限值(N/mm2)。
所述步骤S6中，采用最小二乘法，最终确定新颖C型围护系统结构不连续区域抗拉强度设计衡准的功能(含自重)载荷分项系数为1.0、环境载荷分项系数为1.3、结构不连续区域最优抗力系数为1.1。
本发明的有益效果主要表现在：本发明的方案提出了新颖C型货物围护系统结构不连续区域(Y型接头)抗拉强度的设计衡准，解决了新颖C型货物围护系统在使用过程中发生失效或意外事故，消除新颖C型货物围护系统结构不连续区域的潜在隐患，确保容器Y型接头部位能够承受预期的压力，保证了新颖C型货物围护系统结构不连续区域的安全性，为提出符合我国标准的新颖C型货物围护系统规范奠定了基础。
附图说明
图1是三体罐有限元模型；
图2是目标可靠度下抗力均值μR及设计点坐标R*计算过程；
图3是结构不连续段区域分项系数组合结果；
图4是新颖C型货物围护系统结构不连续区域抗拉强度确定方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图4，一种新颖C型货物围护系统结构不连续区域抗拉强度确定方法，包括以下步骤：
步骤S1，建立新颖C型货物围护系统结构不连续区域，即Y型接头的抗拉极限状态方程；
步骤S2，确定新颖C型围护系统结构不连续区域的模型不确定性系数、材料、环境载荷、功能(含自重)载荷概率特性；
步骤S3，建立新颖C型围护系统的有限元模型，采用Rosenblueth法计算得到的新颖C型围护系统在结构不连续区域的总应力概率特性；
步骤S4，采用可靠度的一次二阶矩法，计算新颖C型围护系统结构不连续区域，即Y型接头抗拉强度的可靠度；
步骤S5，建立一个基于可靠性的新颖独立C型液货罐结构不连续区域抗拉强度评估准则表达式；
步骤S6，采用最小二乘法，确定新颖C型围护系统设计公式的功能(含自重)载荷分项系数、环境载荷分项系数和结构不连续区域抗拉破坏的最优抗力系数。
本专利通过abaqus对三体罐模型极限强度进行有限元计算。
三体罐主要参数如下：总长为29.8m，总宽为25.2m,总高为19.75m，体积约为9497m3；其液货罐圆柱壁区域的厚度为15.5mm，半球壁区域厚度为12.8mm，纵壁厚度为22.5mm；模型其他部位的厚度，详见图2。
本实施例的实施过程如下：
步骤S1，根据Rec 174规则提出的有限元计算方法，采用一次二阶矩法。基于模型的不确定系数，建立新颖C型货物围护系统结构不连续区域的抗拉极限状态方程：
g(x)＝χbσb-χFσF-χEσE (1)
其中，χb,χF,χE分别为结构不连续区域的抗拉、功能(含自重)、环境模型不确定系数；σb,σF,σE分别为结构不连续区域的抗拉强度、功能(含自重)载荷、环境载荷导致的罐体单元总应力。
步骤S2，确定新颖C型围护系统的模型不确定性系数、材料概率特性、环境载荷、功能(含自重)载荷概率特性。
主要对LC03(垂向加速度)、LC05(试验)两个应力值最大的工况类型进行了可靠度计算分析，共计算27个三体罐模型。三体罐模型中的结构不连续区域(Y型接头)共3种单元类型，为8节点壳体、1层20节点实体单元、4层8节点实体单元。
其中，实体单元的大小、长度都以厚度T为标准。将T×T×T划分的20节点实体单元简称为T×T×T(20)，T×T×T/4划分的8节点实体单元简称为T×T×T/4(8)，8节点壳体单元简称为壳体单元。
步骤S3，采用Rosenblueth法，计算罐体Y型接头部位的总应力的概率特性。
Rosenblueth法的核心公式如下：
δi＝σi/μi
(2)
其中，Y*为所有变量都为均值时得到的模型应力值，μi为第i个变量均值加、减一个标准差后得到的应力平均值，δi为第i个变量均值加、减一个标准差后得到的应力差值的平均值。
以无温度效应下双体罐壳体单元的LC03工况为例，展示模型计算后采用Rosenblueth法得到的概率特性，表1为双体罐LC03工况壳体单元的概率变量表(MPa)。
表1
步骤S4，通过S1中材料抗拉强度的极限状态设计方程、材料概率特性、模型不定性系数和S2中Rosenblueth法得到的概率特性的整理。采用可靠度的一次二阶矩法，计算新颖C型围护系统的可靠度，表2为液货罐无温度下可靠度结果表。
表2
以此为基础确定新颖C型围护系统抗拉强度的目标可靠度采用不严重失效中的无强度储备的延性破坏，目标可靠度为10-4。
步骤S5，建立一个基于可靠性的新颖C型围护系统抗拉强度评估准则。
设计准则的表达式：
其中，γF、γE、γR分别为新颖C型货物围护系统结构不连续区域的功能(含自重)、环境、抗力安全分项系数；σGK、σFK、σEK分别为自重、功能、环境载荷在单元综合总应力值，Rm为标定的室温下抗拉强度下限值(N/mm2)。γ0为重要性系数，采用1.0。具体见表3。表3为重要性系数表。
注：1)意味着大量货物泄放和极有可能造成大量人员伤亡或大量货物泄放。
2)意味着货物泄放和人员受伤的可能性。
3)经过风险评估证明并且通过主管机关的认可。
表3
根据分项安全因子优选的原则：按照设计公式设计的独立液货罐的可靠指标，与目标可靠指标[β]之间在总体上误差最小。
按第二水准概率设计法—近似概率极限设计方法，根据给定的可靠指标[β]和各基本变量统计参数μi、δi，可求出目标可靠指标[β]下的液货罐抗力均值μR，再按下式求出相应的设计点值R*。
KR为载荷效应系数。
求得的液货罐材料抗拉强度σb与求得的R*相等，即σb＝R*，则按式设计衡准的液货罐的结构可靠指标必然与规定的可靠指标相等；同样，如果σb＜R*，则按式设计衡准的结构可靠指标必然大于规定的可靠指标。因此，最优的分项安全因子γR应满足误差平方和H为最小：
式中，Ri＝γF(SGK+SFK)i+γE(SEK)i，j表示样本数量，即液货罐数量；H值的大小相对反映了取此组γF、γE及γR的设计表达式所设计的液货罐可靠指标与目标可靠指标之间的差异程度。
令可得：
当γF和γE被事先设定时，便可得到Ri的值。因此，在实际计算中，可事先设定γF和γE的可能取值，对于每一组γF和γE的取值，都可计算出相应的γR值、H值，显然使H值最小的分项系数就是最佳的分项系数。
当环境载荷效应服从极值I型分布，抗力服从对数正态分布，功能(含自重)载荷效应服从正态分布时：抗力均值μR及设计点坐标R*的求解流程，如图3。
步骤S6，考虑强度模型不确定性系数后，各综合随机变量的均值μP(μF、μE、μR)和变异系数δP(δF、δE、δR)为：
μP＝μΩP·μZP·μP (8)
材料、载荷的偏差系数为：
式中，μD为材料、载荷的均值，DK为材料、载荷的名义值，液货罐材料偏差系数和变异系数详见表4。
系数 抗拉
偏差系数 1.14
变异系数 0.11
表4
液货罐功能(含自重)载荷效应分为罐体自身重量的效应和罐体内部功能载荷的效应。对这两个正态随机分布的概率进行组合，得到功能(含自重)载荷的变异系数、偏差系数，得到不同单元的结构不连续段区域(Y型接头)的功能(含自重)载荷变异系数、偏差系数，表5为液货罐载荷效应偏差系数与变异系数表。
表5
荷载效应比ρ定义为可变荷载同永久荷载的比值，可靠度计算结果会随荷载效应比的变化而变化、因此需要定义好荷载效应比的范围，结合液货罐实际，本报告采用的荷载效应比为0.1,、0.25、0.5、1.0、1.5、2.0。
功能(含自重)载荷效应分项系数取值为γF＝0.90,、1.00、1.10，环境载荷效应分项系数的取值为γE＝0.50、0.60、0.70、0.80、0.90、1.00、1.10、1.20、1.30、1.40、1.50、1.60、1.70，因此不同的γF、γE取值组合共有39种组合。结构不连续段区域的目标可靠度为10-4，不连续段区域的壳体单元计算详见图4，当功能(含自重)载荷分项系数γF为0.9、1.0、1.1时，累积误差H最小的位置在环境载荷γE为1.3、1.4、1.5的位置。
本专利采用功能(含自重)载荷分项系数γF为1.0；环境载荷系数γE为1.3，在此基础上得到最优抗力系数γR。
计算新颖C型围护系统在得到结构不连续区域在不同单元类型下的最优抗力系数。计算结果见表6，表6为液货罐最优抗力系数表。
表6
由结果可知，结构不连续段区域，最优抗力系数γR为1.1。
本实施例计算得到的最终设计衡准表达式为：
σGK、σFK、σEK分别为自重、功能、环境载荷在单元综合总应力值，Rm为标定的室温下抗拉强度下限值(N/mm2)，γ0为重要性系数，参见表3。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (7)

1.一种新颖C型货物围护系统结构不连续区域抗拉强度确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1，建立新颖C型货物围护系统结构不连续区域，即Y型接头的抗拉极限状态方程；
步骤S2，确定新颖C型围护系统结构不连续区域的模型不确定性系数、材料、环境载荷、功能载荷概率特性；
步骤S3，建立新颖C型围护系统的有限元模型，采用Rosenblueth法计算得到的新颖C型围护系统在结构不连续区域的总应力概率特性；
步骤S4，采用可靠度的一次二阶矩法，计算新颖C型围护系统结构不连续区域，即Y型接头抗拉强度的可靠度；
步骤S5，建立一个基于可靠性的新颖独立C型液货罐结构不连续区域抗拉强度评估准则表达式；
步骤S6，采用最小二乘法，确定新颖C型围护系统设计公式的永久载荷分项系数、环境载荷分项系数和结构不连续区域抗拉破坏的最优抗力系数。
2.如权利要求1所述的新颖C型货物围护系统结构不连续区域抗拉强度确定方法，其特征在于，所述步骤S1中，建立新颖C型货物围护系统结构不连续区域的抗拉极限状态方程：
g(x)＝χbσb-χFσF-χEσE (1)
其中，χb,χF,χE分别为结构不连续区域的抗拉、功能、环境模型不确定系数；σb,σF,σE分别为结构不连续区域的抗拉强度、功能载荷、环境载荷导致的罐体单元合成总应力。
3.如权利要求1或2所述的新颖C型货物围护系统结构不连续区域抗拉强度确定方法，其特征在于，所述步骤S2中，建立新颖C型围护系统的有限元模型，采用Rosenblueth法，计算罐体结构不连续区域总应力(σL+σb+σg)的概率特性，其中，σL为单元薄膜应力；σb为单元弯曲应力；σg为单元峰值应力。
4.如权利要求2所述的新颖C型货物围护系统结构不连续区域抗拉强度确定方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用一次二阶距法对新颖C型围护系统结构不连续区域进行计算，求解方程(1)的可靠度。
5.如权利要求1或2所述的新颖C型货物围护系统结构不连续区域抗拉强度确定方法，其特征在于，所述步骤S4中，综合实际罐体的可靠度计算结果和该系统属于无强度储备能力的延性破坏，新颖C型围护系统不连续区域的目标可靠度为10-4。
6.如权利要求1或2所述的新颖C型货物围护系统结构不连续区域抗拉强度确定方法，其特征在于，所述步骤S5中，建立一个新颖独立C型液货罐强度评估准则：
其中，γF、γE、γR分别为新颖C型货物围护系统结构不连续区域的功能、环境、抗力安全分项系数；σGK、σFK、σEK分别为自重、功能、环境载荷在单元合成总应力值，γ0为重要性系数，取1.0，f为许用一阶总体膜应力，Rm为标定的室温下抗拉强度下限值，单位N/mm2。
7.如权利要求1或2所述的新颖C型货物围护系统结构不连续区域抗拉强度确定方法，其特征在于，所述步骤S6中，采用最小二乘法，最终确定新颖C型围护系统结构不连续区域抗拉强度设计衡准的永久载荷分项系数为1.0、环境载荷分项系数为1.3、结构不连续区域最优抗力系数为1.1。
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