三體船疲勞損傷影響因素研究

張球球+陳超核

（華南理工大學(xué)，廣州 510641）

摘 要：本文首先針對(duì)一艘航行于我國南海海域的三體船，建立全船有限元模型，并獲得全船有限元應(yīng)力，確定疲勞熱點(diǎn)；進(jìn)而利用所得的熱點(diǎn)應(yīng)力結(jié)合DNV規(guī)范，對(duì)影響三體船疲勞累積損傷的波浪載荷因素進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：三體船；疲勞熱點(diǎn)；熱點(diǎn)應(yīng)力；波浪載荷因素

中圖分類號(hào)：U661.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

近年來，國內(nèi)外掀起了一股三體船研究熱。作為一種具有出色耐波性、穩(wěn)定性、快速性的船型，國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)其水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度評(píng)估方面的研究工作還相對(duì)落后，相關(guān)文獻(xiàn)也比較少，加之三體船片體與連接橋的存在使載荷計(jì)算較為復(fù)雜，因此外載荷的準(zhǔn)確估算較難，從而使得三體船的疲勞研究難度加大。

本文參考LR規(guī)范對(duì)某三體船進(jìn)行全船的強(qiáng)度分析，在其連接橋處確定數(shù)個(gè)疲勞熱點(diǎn)，利用譜分析方法對(duì)這些熱點(diǎn)進(jìn)行疲勞評(píng)估計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上對(duì)影響三體船疲勞累積損傷計(jì)算的因素進(jìn)行研究。

2 疲勞損傷計(jì)算

本文所考察的三體船船長(zhǎng)90 m、型寬24.56 m、型深11.7 m、設(shè)計(jì)吃水4 m，設(shè)計(jì)壽命為20年，其片體設(shè)置在主船體的尾部。有限元模型包括主體、片體、連接橋和上層建筑的主要結(jié)構(gòu)，以及甲板板架、船底板架、舷側(cè)板架、艙壁板架及主要框架和支柱。

2.1 船體載荷計(jì)算、整體強(qiáng)度分析及疲勞熱點(diǎn)位置確定

在全船有限元模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)勞氏船級(jí)社的三體船規(guī)范相關(guān)規(guī)定，對(duì)該船進(jìn)行加載并對(duì)其進(jìn)行全船總強(qiáng)度計(jì)算分析。

依據(jù)分析結(jié)果，一共選取了連接橋處應(yīng)力集中較為嚴(yán)重的五個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞評(píng)估計(jì)算：

（1）船尾處連接橋與側(cè)體連接的根部位置，也就是連接橋尾部濕甲板與片體相連的位置；

（2）船尾處連接橋與主船體連接的根部位置，也就是連接橋尾部濕甲板與主船體的相交位置；

（3）距船尾6 m處，即船尾第一道橫艙壁處，連接橋與主船體連接的根部位置；

（4）距船尾36 m處連接橋與主船體連接的根部位置；

（5）距船尾43 m處連接橋與主船體連接的根部位置，這一位置已經(jīng)在連接橋首端附近。

獲得疲勞評(píng)估的熱點(diǎn)以后，為了能夠更準(zhǔn)確的反映熱點(diǎn)位置附近區(qū)域應(yīng)力梯度的變化，根據(jù)DNV和CCS的規(guī)范，對(duì)這些區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。

2.2 疲勞損傷計(jì)算

根據(jù)DNV的規(guī)范對(duì)波浪載荷進(jìn)行直接計(jì)算，航向角范圍取0～330°，共12個(gè)浪向，各浪向按等概率出現(xiàn)；規(guī)則波的圓頻率范圍取0.2～2 rad/s，間隔取0.05 rad/s。

利用中國船級(jí)社和哈爾濱工程大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的Compass-Walcs-Basic軟件，依據(jù)已確定好的波浪載荷計(jì)算參數(shù)獲得船體在各頻率規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和水動(dòng)壓力分布情況；然后將所得到的三體船船體水動(dòng)壓力及其他慣性力，根據(jù)不同的浪向以及圓頻率分別施加到船體的有限元模型當(dāng)中，得到熱點(diǎn)周圍區(qū)域在對(duì)應(yīng)的航向角及對(duì)應(yīng)的圓頻率下熱點(diǎn)應(yīng)力的傳遞函數(shù)。

本文采用JONSWAP譜對(duì)該船進(jìn)行疲勞評(píng)估，按下式計(jì)算疲勞累積損傷度：

（1）

式中：Td 為船舶的設(shè)計(jì)疲勞壽命；

ā和m 為所用S-N曲線的兩個(gè)參數(shù)；

Nload 為所考慮的裝載狀態(tài)的總數(shù)；

Pn 為第n個(gè)裝載狀態(tài)所占設(shè)計(jì)時(shí)間的比例；

Γ（1+m/2） 為伽瑪函數(shù)；

nS為海況分布資料中的海況總數(shù)；

nH為劃分的航向總數(shù)；

pi 為第個(gè)海況出現(xiàn)的概率；

pj 為第j個(gè)航向出現(xiàn)的頻率；

，為第n個(gè)裝載及海況i和航向j下，應(yīng)力交變響應(yīng)平均過零率；

m0ij為應(yīng)力譜的0階譜距；

m2y為應(yīng)力譜的2階譜距。

3 三體船疲勞損傷計(jì)算影響因素

根據(jù)疲勞損傷線性累積法則，總的疲勞應(yīng)力參數(shù)可由各短期海況的疲勞應(yīng)力參數(shù)線性疊加而得。本文將主要分析和研究航行海域、季節(jié)、浪向、跨零周期等對(duì)三體船疲勞累積損傷計(jì)算的影響。

3.1 航行海域?qū)ζ趽p傷的影響

根據(jù)上面所提到的思路和參數(shù)，計(jì)算S1到S10 區(qū)域?qū)?yīng)熱點(diǎn)疲勞累積損傷度如表1所示，并將數(shù)據(jù)繪制成圖1。

3.2 季節(jié)對(duì)疲勞損傷的影響

在計(jì)算各海域?qū)?yīng)熱點(diǎn)的疲勞累積損傷時(shí)，采用的計(jì)算資料為方鐘圣西北太平洋波浪統(tǒng)計(jì)集[6]中的全年所有浪向波浪統(tǒng)計(jì)資料，各浪向出現(xiàn)概率均等。然而，對(duì)應(yīng)海域在不同季節(jié)實(shí)際波浪統(tǒng)計(jì)資料有所不同，并且各浪向出現(xiàn)概率并非均等。本文以S7海域春、夏、秋、冬四季及全年波浪統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為計(jì)算資料，得出對(duì)應(yīng)熱點(diǎn)的疲勞累積損傷度，如表2所示。

3.3 浪向?qū)ζ趽p傷的影響

在計(jì)算S7海域?qū)?yīng)熱點(diǎn)的疲勞累積損傷時(shí)，各浪向出現(xiàn)的概率均等。然而，S7海域?qū)嶋H海況統(tǒng)計(jì)資料顯示，各浪向出現(xiàn)的概率并非均等。根據(jù)方鐘圣西北太平洋波浪統(tǒng)計(jì)集中S7海域全年波浪統(tǒng)計(jì)資料，將統(tǒng)計(jì)資料中的各浪向所占比例（如表3）作為計(jì)算疲勞累積損傷時(shí)各浪向的出現(xiàn)概率，計(jì)算結(jié)果如表4 。

3.4 跨零周期不確定性對(duì)疲勞損傷的影響

通過改變計(jì)算波浪譜的跨零周期，得出對(duì)應(yīng)跨零周期下的疲勞累積損傷度?？缌阒芷诘淖兓瑯訉⑽鞅碧窖蟛ɡ俗V統(tǒng)計(jì)集獲得的跨零周期定義為Tz，分別以0.05倍Tz為間距遞增及以0.05倍的Tz為間距遞減，得出熱點(diǎn)3對(duì)應(yīng)的疲勞累積損傷度，將所得數(shù)據(jù)繪制成圖2。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某一航行于我國南海海域的三體船，采用譜分析方法對(duì)該船進(jìn)行了疲勞累積損傷分析，計(jì)算該船在不同海域、季節(jié)、浪向、波高及跨零周期條件下的疲勞累積損傷度，并得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)三體船按規(guī)范進(jìn)行加載，獲得全船有限元應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)中，連接橋與主船體及片體相連接處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在分析三體船疲勞壽命時(shí)要重點(diǎn)考慮 ；

（2）海域不同、波浪參數(shù)及分布不同，計(jì)算所得的三體船疲勞累積損傷度也不同。S7海域?qū)τ谌w船而言為疲勞累積損傷最嚴(yán)重海域，S2和S8海域?yàn)槠诶鄯e損傷較輕海域，其它海域疲勞累積損傷相差不大，故三體船在航行航線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量規(guī)避S7海域，更多的考慮S2和S8海域；

（3）季節(jié)不同，波浪參數(shù)及分布也不同，四季中春、夏兩季疲勞累積損傷相對(duì)于秋、冬兩季較小，冬季疲勞累積損傷最大，因此三體船應(yīng)盡量減少冬季出航；

（4）在計(jì)算三體船疲勞累積損傷時(shí)，各浪向按等概率出現(xiàn)計(jì)算所得結(jié)果偏大，設(shè)計(jì)偏保守；

（5）三體船疲勞損傷隨著有義波高的增大而增大，在 S1、S4、S6、S7海域疲勞累積損傷隨著跨零周期的增大而減小，S2、S3、S5、S8、S9、S10海域疲勞累積損傷隨著跨零周期的增大先增大后減小。

參考文獻(xiàn)

[1] DNV-RP-C103. Column-stabilized units[S]. Det Norske Veritas， 2005.

[2] Rules For the Classifieation of Trimaran[S]. London： Lloyds Register， 2006.

[3] 彭營(yíng)豪，劉見華，王福花. 三體船型疲勞強(qiáng)度評(píng)估和分析[J].中國造船， 2011，52（3）.

[4] 黃志遠(yuǎn)，嚴(yán)仁軍，鄧樂，侯超. 基于MSC_Fatigue的三體船連接橋疲勞壽命分析[J].船海工程，2008，37（6）.

[5] 船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南[S]. 中國船級(jí)社上海規(guī)范研究所，2007.

[6] 方鐘圣，金承儀，繆泉明. 西北太平洋波浪統(tǒng)計(jì)集 [M]. 國防工業(yè)出版社，1996.

[7] 文圣常，陳伯海，張大錯(cuò)，王偉，郭佩芳，臺(tái)偉濤. 改進(jìn)的理論風(fēng)浪頻譜[J]. 海洋學(xué)報(bào)，1990，12（3）.