林文平 宋大偉 徐超友

（青島北海船舶重工有限公司 船舶與海洋工程設(shè)計研究所 青島266520）

0 引 言

眾所周知，船舶在海上航行時，船體結(jié)構(gòu)一直受到波浪力和船舶運(yùn)動產(chǎn)生的各種慣性力的作用。而波交變應(yīng)力、長期的交變應(yīng)力作用將會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷。疲勞破壞是船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物的主要破壞形式之一。對于大型、超大型船舶而言，疲勞問題更應(yīng)引起重視。據(jù)統(tǒng)計，船長大于200 m的中大型船舶，總損傷數(shù)的70%屬于疲勞損傷；船長小于200 m的船舶，疲勞裂紋損傷約占總損傷數(shù)的20%。而今，船舶在整個生命周期的疲勞安全越來越受到人們的關(guān)注。

1 船體主要參數(shù)

2 疲勞損傷計算基本原理

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）在1964年發(fā)表的報告《金屬疲勞試驗(yàn)的一般原理》中對疲勞做的定義是：“金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化”。

本次疲勞評估依據(jù) “IACS-Common Structral Rules for Bulk Carrier”規(guī)范進(jìn)行。疲勞強(qiáng)度評估采用線性累積損傷方法，評估基于等效切口應(yīng)力范圍，等效切口應(yīng)力范圍由熱點(diǎn)應(yīng)力范圍乘以疲勞切口因子得到。

2.1 等效切口應(yīng)力范圍修正

式中：fcoat為腐蝕環(huán)境修正因子；

fmaterial為材料修正因子；

fthick為板厚修正因子；

Δσeq，j為等效切口應(yīng)力范圍，N/mm2。

2.2 應(yīng)力范圍的長期分布

合成切口應(yīng)力范圍長期分布的累積概率密度函數(shù)應(yīng)取為雙參數(shù)Weibull分布：

式中：ξ為Weibull形狀參數(shù)，取為1.0；

NR為循環(huán)次數(shù)，取為104。

2.3 基本疲勞損傷

合成切口應(yīng)力范圍長期分布的累積概率密度函數(shù)應(yīng)取為雙參數(shù)Weibull分布。

每一個裝載工況基本疲勞損傷應(yīng)按式（3）計算：

式中：K為S-N曲線參數(shù)，取1.014×1015；

αj為系數(shù)，見表 1。

NL為船舶設(shè)計壽命的總循環(huán)次數(shù)，?。?/p>

式中：TL為設(shè)計壽命，單位s，對應(yīng)于 25年船舶壽命，取為 7.884×108；

Γ為2型不完整Gamma函數(shù)；

γ為1型不完整Gamma函數(shù)。

表1 裝載工況的系數(shù)

2.4 累積疲勞損傷

用于合成等效應(yīng)力計算的累積疲勞損傷D應(yīng)符合下列衡準(zhǔn)：

式中：Dj為各裝載工況“j”的基本疲勞損傷。

疲勞累積損傷度D可使用關(guān)系式 “疲勞壽命=設(shè)計壽命/D”轉(zhuǎn)換為疲勞壽命的計算。此式中，計算的疲勞壽命（年）應(yīng)等于或大于船舶的設(shè)計年限。式中設(shè)計壽命取為25年。

3 有限元模型

熱點(diǎn)位置向外所有方向至少四分之一肋距范圍內(nèi)使用精細(xì)網(wǎng)格建模，精細(xì)網(wǎng)格區(qū)域的單元尺寸近似等于評估區(qū)域的凈厚度（凈厚度tnet=tgross-0.5tc），單元的長寬比接近1。熱點(diǎn)處疲勞有限元模型如下頁圖1所示。

4 設(shè)計方案視圖與疲勞計算結(jié)果

下頁圖2為各設(shè)計方案視圖；表2計算結(jié)果為根據(jù)英國勞氏船級社的ShipRight SDA軟件計算所得，插值方法及切口因子以CSR規(guī)范為準(zhǔn)。

對于裝載工況，定義詳見CSR規(guī)范第4章第4節(jié)：

（1）與 EDW“H”對應(yīng)的“H1”和“H2”（迎浪）；

（2）與 EDW“F”對應(yīng)的“F1”和“F2”（隨浪）；

（3）與 EDW“R”對應(yīng)的“R1”和“R2”（橫浪）；

（4）與 EDW“P”對應(yīng)的“P1”和“P2”（橫浪）。

圖1 熱點(diǎn)處疲勞有限元模型正面

圖2 設(shè)計方案視圖

5 計算結(jié)果分析

從上述計算結(jié)果可以看出，計算疲勞年限最短的為內(nèi)底板往底邊艙斜板方向插值所取得的熱點(diǎn)應(yīng)力，疲勞假定裂紋方向?yàn)檠貎?nèi)底板和底邊艙斜板焊縫方向（見圖3）。

圖3 疲勞裂紋發(fā)展方向與熱點(diǎn)周邊應(yīng)力示意圖

表3與表4為各方案的疲勞壽命對比。

表3 方案二、五相對方案一的疲勞壽命對比表

表4 方案三、四相對方案二的疲勞壽命對比表

由表3、表4可以看出，方案二中增設(shè)背襯肘板結(jié)構(gòu)對熱點(diǎn)疲勞影響最為顯著。結(jié)合圖4表明，方案二中增設(shè)背襯肘板可以有效降低疲勞熱點(diǎn)應(yīng)力峰值，進(jìn)而提高熱點(diǎn)疲勞壽命。圖4是重壓載艙主導(dǎo)載荷工況（H1工況）下的應(yīng)力分布圖。

圖4 重壓載艙主導(dǎo)載荷工況下的應(yīng)力分布

可見，在方案一基礎(chǔ)上增設(shè)背襯肘板可最有效地降低熱點(diǎn)處的應(yīng)力集中，從而提高疲勞壽命。

6 背襯肘板厚度對熱點(diǎn)疲勞壽命影響

由先前的計算結(jié)果可以看出，輕貨艙疲勞強(qiáng)度的裕量較大，對設(shè)計不構(gòu)成瓶頸要素，對此次疲勞設(shè)計影響較大的為重壓載艙和重貨艙。以下就重壓載艙、重貨艙下背襯肘板對熱點(diǎn)疲勞壽命的影響作簡要說明參見表5。

表5 背襯肘板厚度與熱點(diǎn)疲勞壽命關(guān)系表

表5表明，熱點(diǎn)處的疲勞壽命與背襯肘板厚度成正比；隨著板厚增加，新增的疲勞年限也降低，但是增加板厚對新增的疲勞壽命非常有限，每增加2 mm板厚，新增疲勞壽命不超過0.80年。

7 結(jié) 論

對比上述疲勞結(jié)果以及內(nèi)底板與底邊艙斜板折角處的熱點(diǎn)疲勞強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)方案二增設(shè)背襯肘板對其提高疲勞壽命非?？?，究其原因，無論在迎浪工況還是隨浪工況下，背襯肘板都可有效降低熱點(diǎn)處的應(yīng)力范圍；無論是1.5肋位肘板還是距肋板300 mm肘板，也僅在迎浪工況或隨浪工況下，介于兩個強(qiáng)框架之間起了彈性支撐點(diǎn)作用；1.5肋位肘板較距肋板300 mm肘板距熱點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，對熱點(diǎn)應(yīng)力范圍影響甚微，在橫浪工況下，這兩種肘板對來自船舶橫向的載荷起的作用很小。背襯肘板的厚度對熱點(diǎn)應(yīng)力范圍影響較小，在疲勞強(qiáng)度充裕情況下，可考慮采納較小板厚的肘板，以降低造船成本。

［1］中國船級社.鋼制海船入級規(guī)范［M］.2012.

［2］中國船級社.船體結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計指南［M］.2007.

［3］Llod’s Register.Structural detail design guide［M］.May 2004.

［4］IACS.Common Structural Rules for Bulk Carrier［M］.July 2012.

［5］中國船舶工業(yè)總公司/船舶設(shè)計實(shí)用手冊（結(jié)構(gòu)分冊）［M］.中國交通出版社.

［6］DNV.Hull Structure Course［R］.2011.