论文部分内容阅读
国际海事组织(International Marine Organization,IMO)为了提高海上航运的安全水平,从2002年开始推动基于目标的规范体系(Goal Based Standard,GBS),并提出用安全水平法(Safety Level Approach,SLA)逐步取代基于经验的规定性标准。在安全水平法的推动下,面向单船的风险设计方法在新船设计建造中将发挥更大的作用。综合安全评估(Formal Safety Assessment,FSA)是实现安全水平法的通用工具,但FSA方法体系在船舶风险设计中应用时仍然存在很多问题,例如缺乏针对船体结构系统的风险分析模型,没有针对结构风险的评价衡准,缺乏有效的决策工具为风险控制方案选择提供支持,等等。这些问题已经成为限制SLA法推广的关键因素。在此背景下,上海交通大学海洋工程国家重点实验室与中国船级社、大连海事大学等单位共同承担了工业与信息化部高科技船舶科研项目“FSA/SLA方法研究”和“FSA/SLA应用研究”等课题的研究;作为上述课题的重要组成部分,文本旨在研究如何改进目前的FSA方法体系,使之更加符合船舶风险设计对结构安全评估的需要,为在船舶设计过程推广SLA探索切实可行的途径。液化天然气船(Liquefied Natural Gas,LNG)船是保证我国能源战略安全的核心装备,该船型设计建造过程技术密度高、难度大,设计方案创新改造的空间广;而且,该船型具有危险的超低温液货和复杂的围护系统,导致安全评估中非传统影响因素多,不确定大。因此,本文选择LNG船作为研究目标,针对船体结构建立事故后风险分析模型,以及相应的风险评价衡准;探索改进FSA成本-效益指标和风险决策方法的途径,取得了积极的成果。论文主要研究工作如下:(1)用可达矩阵为IMO海事安全委员会(MSC)提出的15类船舶结构安全要素建立递阶结构模型,系统分析各类要素在安全系统中的作用以及逻辑关系;同时对比研究海洋工程结构风险设计的经验,分析船体结构事故状态安全评估的必要性、主要任务和技术路线;在此基础上提出船舶结构风险设计的流程,并分析该流程对FSA方法体系的具体要求。(2)研究利用有限元分析软件模拟事故状态LNG船体温度场分布的方法,以及基于ABAQUS非线性有限元工具模拟受损船体剩余极限强度的方法;探索模拟事故状态LNG泄漏导致的船体结构温度应力和低温冷脆破坏等超低温效应的方法。(3)为了分析事故后受损船体结构失效风险,建立了BBN-SRA模型,利用该模型分别对No.96薄膜型LNG船和SPB型LNG船搁浅事故后船体崩溃风险进行了定量分析。(4)提出面向船体结构事故后失效风险的衡准指标:PSF值和F-S曲线;研究利用ALARP原则确定可容忍风险界限的方法与步骤;分析新型船舶在全生命周期内风险评价衡准的动态修订过程。为SPB型LNG船搁浅事故后船体崩溃风险制定评价衡准,并对该船型进行了结构风险评价。(5)使用风险效用理论改进FSA中经典的成本-效益分析(Cost Effectiveness Analysis,CEA)模型,使其可以考虑决策者风险态度的变化。使用改进后的方法对LNG船的风险控制措施进行了CEA分析,验证了基于风险效用CEA模型的有效性。(6)提出基于风险评价结果动态选择多指标体系、对风险控制措施进行优化选择的思路;对比研究“效用函数综合评价”和“模糊综合评价”两种经典方法,选择前者作为多指标综合评价的理论基础,并使用灰色关联分析模型对该综合评价方法进行改进;研究了使用综合权重法对多指标体系进行赋权的问题。使用上述方法体系分别对LNG船和油船的风险控制方案进行了优化排序分析,验证了该方法的有效性。本文开展的一系列创新性研究,改进了传统的FSA方法体系,使其更适合在船舶结构风险设计中使用。具体来说,为了使FSA能够用来评估船体结构事故状态失效风险,主要的创新研究包括:(1)建立了BBN-SRA模型分析事故后船体结构失效风险。新模型中,结构可靠度分析(Structural Reliability Analysis,SRA)模块考虑随机海浪、结构抗力等常规随机变量对结构失效的影响,贝叶斯网络(Bayesian Belief Networks,BBN)则可以模拟船底损伤状况、海水涌入、LNG泄漏等事故随机变量对结构失效的影响。(2)利用BBN逆向推理算法开发了BBN-SRA模型的另外两类功能:主要风险因素诊断和利用新证据快速估计事故后果。(3)在计算受损船体剩余极限强度时,研究了模拟事故状态下LNG泄漏导致的超低温效应的方法。(4)提出了事故后船体结构失效风险的衡量指标PSF值和F-S曲线,并研究了确定结构风险衡准的方法。为了使FSA能为风险设计过程提供更科学系统的决策支持,主要的创新研究还包括:(5)提出了利用船舶事故风险的效用化与反效用化过程确定等效事故损失的算法,为在设计方案的CEA分析中考虑决策者风险态度提供了解决方案。(6)为了对风险控制措施进行优化决策,提出动态的多指标评价体系,以及基于灰色关联理论的综合评价模型;在对多指标体系赋权时,研究了基于“层次分析-博弈论”模型的综合赋权方法。