本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種爆炸載荷作用下艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可靠性分析方法。

背景技術(shù)：

對(duì)于艦船的船體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于其所處工作的環(huán)境惡劣，而且破壞后可能引起災(zāi)難性的后果，所以艦船船體的結(jié)構(gòu)可靠性問題越來(lái)越受到有關(guān)人士的重視，且隨著可靠性分析方法在航空、航天以及土木工程方面的發(fā)展，船舶行業(yè)逐漸認(rèn)識(shí)到用可靠性方法研究船體結(jié)構(gòu)可靠性問題的必要性。船體受到爆炸作用，直接影響船體總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度。目前各國(guó)海軍對(duì)艦船在極端情況下的強(qiáng)度要求越來(lái)越高。現(xiàn)行設(shè)計(jì)和研究船體總強(qiáng)度時(shí)一般只計(jì)入包括靜水彎矩、波浪、砰擊等在內(nèi)的外載荷，并沒有包括爆炸載荷，所以對(duì)艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行在爆炸載荷作用下的可靠性分析具有重要意義。

艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)是艦船防護(hù)系統(tǒng)的最后一道防線。艦船承受爆炸載荷是艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)在很短時(shí)間內(nèi)在巨大沖擊載荷作用下的一種復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，屬于大變形、強(qiáng)非線性材料非線性、幾何非線性、運(yùn)動(dòng)非線性問題，同時(shí)還涉及到水下爆炸沖擊波和艦船結(jié)構(gòu)相互藕合作用的問題。所以，傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法在研究爆炸載荷作用下艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)問題時(shí)遇到困難，而物質(zhì)點(diǎn)法具有不存在網(wǎng)格畸變，控制方程中無(wú)對(duì)流項(xiàng)等優(yōu)勢(shì)，這使其成為分析爆炸載荷作用下艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)問題的有效方法。因此，在物質(zhì)點(diǎn)方法的基礎(chǔ)上建立一種適合研究爆炸載荷作用下艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可靠性分析方法尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種爆炸載荷作用下艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可靠性分析方法。它能夠克服傳統(tǒng)數(shù)值計(jì)算方法在研究爆炸載荷作用下艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)問題的缺陷，對(duì)爆炸載荷作用下艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更有效、更準(zhǔn)確的系統(tǒng)可靠性分析。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種爆炸載荷作用下艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可靠性分析方法，包括如下步驟：

具體包括如下步驟：

(1)根據(jù)艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征建立艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的物理模型；

(2)根據(jù)艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)行為特征及幾何特征確定隨機(jī)變量；

(3)將步驟(1)中得到的的物理模型和步驟(2)中得到的相應(yīng)的隨機(jī)場(chǎng)進(jìn)行離散；

(4)將步驟(3)中得到的離散質(zhì)點(diǎn)視為元件，根據(jù)失效準(zhǔn)則確定元件的功能函數(shù)；

(5)采用隨機(jī)物質(zhì)點(diǎn)法對(duì)步驟(1)中得到物理模型進(jìn)行隨機(jī)分析，并根據(jù)一次二階矩方法計(jì)算步驟(4)中得到的元件的可靠度和失效概率；

(6)根據(jù)單層防護(hù)板的失效準(zhǔn)則，確定單層板系統(tǒng)的可靠性模型，并計(jì)算各種失效模式的可靠性指標(biāo)；

(7)使用pnet概率網(wǎng)絡(luò)估算法計(jì)算單層板的失效概率；

(8)根據(jù)防護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效準(zhǔn)則確定艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效的可靠性模型；

(9)計(jì)算艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效概率，完成爆炸載荷作用下艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性分析。

所述的步驟(4)中的失效準(zhǔn)則具體為：

采用johnson-cook失效模型動(dòng)態(tài)的損傷演化模型對(duì)艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的失效損傷行為進(jìn)行描述；

損傷量d定義如下：

式中：δεp是等效塑性應(yīng)變?cè)隽?，?sup>f是考慮了應(yīng)變率、應(yīng)力和溫度變化的破壞應(yīng)變，其表達(dá)式為：

式中：d1到d5為材料參數(shù)，稱為應(yīng)力三軸度，其中p為靜水壓力，為等效應(yīng)力；

定義元件的功能函數(shù)為：

式中：z為元件的安全余量。

所述步驟(5)的具體步驟為：

(5.1)對(duì)步驟(1)中得到物理模型進(jìn)行隨機(jī)分析，安全余量的均值μz和方差

(5.2)計(jì)算元件的可靠性指標(biāo)β(i)，公式為：

式中：β(i)是質(zhì)點(diǎn)i的可靠性指標(biāo)，μz(i)是質(zhì)點(diǎn)i的安全余量的均值，σz(i)是質(zhì)點(diǎn)i的安全余量的標(biāo)準(zhǔn)差；

(5.3)計(jì)算其可靠度pr(i)為：

pr(i)＝φ(β(i))

(5.4)元件失效概率pf(i)為：

pf(i)＝1-pr(i)＝1-φ(β(i))＝φ(-β(i))

所述步驟(6)具體包括：

爆炸載荷作用下破壞分為剪切破壞和貫穿孔破壞，物質(zhì)點(diǎn)法中單層板失效由物質(zhì)點(diǎn)的失效來(lái)描述，當(dāng)失效質(zhì)點(diǎn)排列構(gòu)成貫穿路徑時(shí)，單層防護(hù)板貫穿；剪切破壞發(fā)生在與平面夾角45度方向上，剪切破壞失效質(zhì)點(diǎn)為并聯(lián)模型；單層板的系統(tǒng)失效模型為混聯(lián)模型，剪切破壞失效模式和貫穿孔破壞失效模式串聯(lián)構(gòu)成單層板的系統(tǒng)失效模型；

(6.1)計(jì)算單層防護(hù)板失效模式1，可靠性指標(biāo)βmode1為：

(6.2)計(jì)算單層防護(hù)板失效模式2，可靠性指標(biāo)βmode2為：

式中：βi是構(gòu)成失效模式1的各失效質(zhì)點(diǎn)可靠性指標(biāo)，n是構(gòu)成失效模式1的質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù)，βj是構(gòu)成失效模式2的各失效質(zhì)點(diǎn)可靠性指標(biāo)，m是構(gòu)成失效模式1的質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù)；

(6.3)計(jì)算單層板的可靠性指標(biāo)βboard(i)：

βboard(i)＝βmode1(i)×βmode2(i)

式中：i為單層板的各種失效模式的可靠性指標(biāo)。

所述步驟(7)中pnet概率網(wǎng)絡(luò)估算法具體步驟為：

(7.1)計(jì)算單層板的各種失效模式的失效概率pfi，各種失效模式間的相關(guān)系數(shù)ρij，將其值按pfi由大到小的順序排列，然后確定限界相關(guān)系數(shù)ρ0；取ρ0＝0.7～0.8；

(7.2)比較相關(guān)系數(shù)ρij與限界相關(guān)系數(shù)的關(guān)系：相關(guān)系數(shù)ρij≥ρ0的失效模式，視為完全相關(guān)，用其中最大的一個(gè)pfi來(lái)代替；ρij≤ρ0的失效模式，視為統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，系統(tǒng)的失效概率為各統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的代表失效模式的失效概率之和；(7.3)按如下公式計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率

式中，g是pnet法確定的代表失效模式數(shù)。

所述步驟(8)中在爆炸載荷作用下的典型失效機(jī)理為構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)的各層防護(hù)板的破損失效；各層板的失效模型并聯(lián)成防護(hù)結(jié)構(gòu)的失效模型。

所述步驟(9)具體步驟為：

(9.1)計(jì)算艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)β為：

式中：r是艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)防護(hù)板的層數(shù)；

(9.2)計(jì)算艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度pr為：

pr＝φ(β)

(9.3)計(jì)算艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率pf為：

pf＝1-pr＝1-φ(β)＝φ(-β)

附圖說(shuō)明

圖1是典型艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是爆炸載荷作用下艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可靠性分析方法流程圖。

圖3是單層板失效模式示意圖。

圖4是單層防護(hù)板可靠性模型框圖。

圖5是防護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性模型框圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清晰明了，結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明基于物質(zhì)點(diǎn)法的艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性分析方法，包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示的結(jié)構(gòu)特征建立艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的物理模型。

本實(shí)施例中，典型艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，艦船典型防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形式一般為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)即：第一層為空艙，給遭受爆炸載荷時(shí)的外板提供變形的空間，從而迅速衰減爆炸沖擊波的壓力，因而稱為膨脹艙；第二層艙室一般為液艙，使魚雷或?qū)椀谋ㄆ破屯獍迤屏训亩纹破诟咚俅┤胍号摵笏俣妊杆偎p，因而稱為吸收艙；第三層艙室又為空艙，以再次阻隔爆炸沖擊波對(duì)內(nèi)層防御縱艙壁的破壞作用。所以艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要物理參數(shù)為，艙段間隔為l，壁板厚度為d，壁板的特征長(zhǎng)度為h,

步驟2：根據(jù)艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)程結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)行為特征及幾何特征確定隨機(jī)變量。

根據(jù)艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)程結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)行為特征，將步驟1物理模型中的物性參數(shù)及幾何參數(shù)：質(zhì)量密度ρ，彈性模量e，比熱容c，狀態(tài)方程參數(shù)，本構(gòu)方程參數(shù)，失效模型方程參數(shù)等作為隨機(jī)變量，將這些隨機(jī)變量記為x＝(x1,x2,…xn)，假設(shè)這些隨機(jī)變量服從正態(tài)分布，則需要給出其均值為μ＝(μ1,μ2,...μn)和方差為d＝(d(x1),d(x2),...d(xn))。

步驟3：將步驟1中得到的的物理模型和步驟2得到的相應(yīng)的隨機(jī)場(chǎng)進(jìn)行離散。

將物理模型的連續(xù)體離散為np個(gè)物質(zhì)點(diǎn)，將連續(xù)體的質(zhì)量集中于有限個(gè)物質(zhì)點(diǎn)上，完成物質(zhì)點(diǎn)的空間離散。隨機(jī)參數(shù)在時(shí)間域和空間域進(jìn)行離散。隨機(jī)場(chǎng)采用中心平均法在空間上離散為隨機(jī)過程，然后將隨機(jī)過程在時(shí)間域上離散為與計(jì)算時(shí)間步相符的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，則隨機(jī)過程在每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上可以看作隨機(jī)變量。

步驟4：將步驟3中得到的離散質(zhì)點(diǎn)視為元件，根據(jù)失效準(zhǔn)則確定元件(質(zhì)點(diǎn))的功能函數(shù)。

艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的金屬材料的失效行為往往依賴于應(yīng)變率，應(yīng)力狀態(tài)和加載歷史，所以采用動(dòng)態(tài)的損傷演化模型對(duì)其失效損傷行為進(jìn)行描述更為合理。johnson-cook失效模型是一個(gè)比較典型的描述金屬材料動(dòng)態(tài)損傷過程的失效模型。下面將對(duì)其具體形式進(jìn)行介紹。

johnson-cook失效模型中定義了一個(gè)由0至1逐漸變化的損傷量d來(lái)描述材料的動(dòng)態(tài)損傷演化過程。損傷量d定義如下：

式中：d的值在0和1之間變化，初始時(shí)刻設(shè)置為0，當(dāng)d＝1時(shí)材料即發(fā)生失效破壞。δεp是等效塑性應(yīng)變?cè)隽浚?sup>f是考慮了應(yīng)變率、應(yīng)力和溫度變化的破壞應(yīng)變，其表達(dá)式為：

式中：d1到d5為材料參數(shù)，稱為應(yīng)力三軸度，其中p為靜水壓力，為等效應(yīng)力。破壞應(yīng)力ε^f的三個(gè)乘積項(xiàng)分別反映了應(yīng)力、應(yīng)變率和熱效應(yīng)對(duì)材料損傷的影響。

在物質(zhì)點(diǎn)法中，因?yàn)槲镔|(zhì)點(diǎn)攜帶了所有的材料信息，所以材料的失效是由物質(zhì)點(diǎn)的失效來(lái)描述的。因此，定義元件(質(zhì)點(diǎn))的功能函數(shù)為：

式中：z為元件(質(zhì)點(diǎn))的安全余量。

步驟5：采用隨機(jī)物質(zhì)點(diǎn)法對(duì)步驟1中得到物理模型進(jìn)行隨機(jī)分析，并根據(jù)一次二階矩方法計(jì)算步驟4中得到的元件(質(zhì)點(diǎn))的可靠度和失效概率。

采用隨機(jī)物質(zhì)點(diǎn)法對(duì)步驟1中得到物理模型進(jìn)行隨機(jī)分析，得到安全余量的統(tǒng)計(jì)特性，即安全余量的均值μz和方差

并以此計(jì)算元件(質(zhì)點(diǎn))的可靠性指標(biāo)，公式為(6)：

式中：β(i)是質(zhì)點(diǎn)i的可靠性指標(biāo)，μz(i)是質(zhì)點(diǎn)i的安全余量的均值，σz(i)是質(zhì)點(diǎn)i的安全余量的標(biāo)準(zhǔn)差。

計(jì)算其可靠度為：

pr(i)＝φ(β(i))(7)

元件(質(zhì)點(diǎn))失效概率為：

pf(i)＝1-pr(i)＝1-φ(β(i))＝φ(-β(i))(8)

步驟6：根據(jù)單層防護(hù)板的失效準(zhǔn)則，確定單層板系統(tǒng)的可靠性模型，并計(jì)算各種失效模式的可靠性指標(biāo)。

在爆炸載荷作用下的單層防護(hù)板典型失效準(zhǔn)則是壁板的破損失效。破損失效指結(jié)構(gòu)在爆炸、沖擊載荷作用下產(chǎn)生的貫穿性結(jié)構(gòu)破壞。在物質(zhì)點(diǎn)法中，因?yàn)槲镔|(zhì)點(diǎn)攜帶了所有的材料信息，單層板失效是由物質(zhì)點(diǎn)的失效來(lái)描述的，當(dāng)失效質(zhì)點(diǎn)排列構(gòu)成貫穿路徑時(shí)造成了單層防護(hù)板的貫穿。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究可知，爆炸載荷作用下破壞分為剪切破壞和貫穿孔破壞，剪切破壞發(fā)生在與平面夾角45度方向上，失效質(zhì)點(diǎn)為并聯(lián)模型，如圖3所示。兩類失效模式串聯(lián)構(gòu)成單層板的系統(tǒng)失效模型。實(shí)際上單層板的系統(tǒng)失效模型為混聯(lián)模型，如圖4所示，即失效質(zhì)點(diǎn)并聯(lián)，失效模式串聯(lián)。

計(jì)算單層防護(hù)板失效模式1，可靠性指標(biāo)為：

計(jì)算單層防護(hù)板失效模式2，可靠性指標(biāo)為：

式中：βi是構(gòu)成失效模式1的各失效質(zhì)點(diǎn)可靠性指標(biāo)，n是構(gòu)成失效模式1的質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù)，βj是構(gòu)成失效模式2的各失效質(zhì)點(diǎn)可靠性指標(biāo)，m是構(gòu)成失效模式1的質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

計(jì)算單層板的可靠性指標(biāo)為：

βboard(i)＝βmode1(i)×βmode2(i)(11)

式中：i為單層板的各種失效模式的可靠性指標(biāo)。

步驟7：使用pnet概率網(wǎng)絡(luò)估算法計(jì)算單層板的系統(tǒng)失效概率。

pnet概率網(wǎng)絡(luò)估算法的具體步驟是首先計(jì)算出單層板的各種失效模式的失效概率pfi，各種失效模式間的相關(guān)系數(shù)ρij，將其值按pfi由大到小的順序排列，然后確定限界相關(guān)系數(shù)ρ0，對(duì)那些相關(guān)系數(shù)ρij≥ρ0的失效模式，可視為完全相關(guān)，用其中最大的一個(gè)pfi來(lái)代替；對(duì)那些ρij≤ρ0的失效模式，則視其為統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，則系統(tǒng)的失效概率為各統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的代表失效模式的失效概率之和。按如下公式計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率：

式中，g是pnet法確定的代表失效模式數(shù)。

概率網(wǎng)絡(luò)估算法采用限界相關(guān)系數(shù)ρ0作為衡量失效模式相關(guān)性的標(biāo)準(zhǔn)。ρ0的取值直接影響到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度，因此，ρ0的選擇是概率網(wǎng)絡(luò)估算法的關(guān)鍵，它應(yīng)該根據(jù)工程的重要性和主要失效形態(tài)子系統(tǒng)的多少來(lái)選擇，通?？扇ˇ?＝0.7～0.8。

步驟8：根據(jù)防護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效準(zhǔn)則確定艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效的可靠性模型。

在爆炸載荷作用下的典型失效機(jī)理為構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)的各層防護(hù)板的破損失效。破損失效指結(jié)構(gòu)在爆炸、沖擊載荷作用下產(chǎn)生的貫穿性結(jié)構(gòu)破壞。所以，各層板的失效模型并聯(lián)成防護(hù)結(jié)構(gòu)的失效模型，如圖5所示。

步驟9：計(jì)算艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效概率，完成爆炸載荷作用下艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可靠性分析。

計(jì)算艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)為：

式中：r是艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)防護(hù)板的層數(shù)。

計(jì)算艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度為：

pr＝φ(β)(14)

計(jì)算艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率為：

pf＝1-pr＝1-φ(β)＝φ(-β)(15)

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。