客滾船車輛甲板疲勞問(wèn)題分析

朱麗紅

摘 要：疲勞是在循環(huán)載荷的反復(fù)作用下，在原材料的局部缺陷或結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力集中處逐漸形成裂紋并擴(kuò)展到失效的一種行為。在重載車輛作用下，車輛甲板因其功能的特定性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性更容易產(chǎn)生疲勞破壞。車輛甲板材料本身的缺陷、構(gòu)造細(xì)節(jié)缺陷、車輛超載等多方面的原因，都可能導(dǎo)致車輛甲板的疲勞破壞。本文概括和總結(jié)了車輛甲板疲勞破壞的機(jī)理和影響因素，對(duì)某輪車輛甲板因局部應(yīng)力集中產(chǎn)生的疲勞破壞進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析和介紹，就改善車輛甲板抗疲勞性能的措施做了初步的探討，對(duì)延緩車輛甲板疲勞破壞的發(fā)生有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：車輛甲板;疲勞;影響因素;措施

中圖分類號(hào)：U674.12 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2020）07-0100-02

客滾船在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，載荷是隨機(jī)變動(dòng)的;船舶承受的波浪載荷、風(fēng)載荷以及航行時(shí)產(chǎn)生的各種慣性力也是隨機(jī)變化的，這種不斷變化的載荷使船體內(nèi)部產(chǎn)生交變應(yīng)力[1]。在長(zhǎng)期交變應(yīng)力的作用下，變化載荷周期的累積效應(yīng)造成了船舶的疲勞破壞。因疲勞破壞造成的海損事故時(shí)有發(fā)生，1972年瑞典公布85條大型船舶結(jié)構(gòu)破損情況的調(diào)查，在船體破損中因疲勞問(wèn)題造成的破壞比例占70.45%[2]，第七屆船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)大會(huì)指出，船長(zhǎng)超過(guò)200m的船舶總損傷的70%屬于疲勞損傷[3]，1994年9月“Estonia”號(hào)滾裝輪渡航行至波羅的海北部海面時(shí)艏門(mén)與船體連接處發(fā)生疲勞斷裂，在風(fēng)浪聯(lián)合作用下海水迅速涌入車輛甲板，導(dǎo)致船舶迅速下沉，900多人喪生。各種實(shí)船研究報(bào)告表明，疲勞破壞是船舶結(jié)構(gòu)破壞的主要形式之一，是航運(yùn)管理中必須重視的問(wèn)題。

1車輛甲板疲勞破壞的機(jī)理

微觀機(jī)理：車輛甲板鋼板內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)不同，不同方向各向異性并且不均勻，不均勻的微觀結(jié)構(gòu)下應(yīng)力分布也是不均勻的。在高應(yīng)力作用下，金屬內(nèi)部薄弱晶粒易出現(xiàn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)由變形能力強(qiáng)的區(qū)域，滑移到變形能力較弱的區(qū)域，當(dāng)位錯(cuò)不能繼續(xù)滑移時(shí)，部分晶粒局部出現(xiàn)短而細(xì)的滑移線，并出現(xiàn)相繼錯(cuò)動(dòng)的滑移臺(tái)階;隨著循環(huán)次數(shù)的增加，原滑移線附近出現(xiàn)新的滑移線并形成較寬較深的滑移帶，繼續(xù)增加應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，滑移帶尺寸及數(shù)量增加明顯，最后滑移帶數(shù)量接近飽和，微裂紋在大量滑移帶中產(chǎn)生。循環(huán)載荷作用下，微裂紋繼續(xù)擴(kuò)展和連接，逐漸形成主裂紋。

宏觀機(jī)理：船舶在制造過(guò)程中不可避免的存在缺陷，船體結(jié)構(gòu)中的微裂紋總是存在的。在交變載荷的作用下，微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，形成宏觀裂紋。同樣，在應(yīng)力集中部位，由于高應(yīng)力的存在，即使材料沒(méi)有缺陷，在循環(huán)應(yīng)力的作用下，也會(huì)產(chǎn)生裂紋，出現(xiàn)疲勞問(wèn)題。

2車輛甲板疲勞破壞影響因素

2.1局部應(yīng)力集中

客滾船車輛甲板的結(jié)構(gòu)，為了滿足使用要求和設(shè)計(jì)要求，制造工藝復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)類型和細(xì)節(jié)構(gòu)造多樣，復(fù)雜結(jié)構(gòu)和不同的幾何形狀易于產(chǎn)生應(yīng)力集中。車輛載荷通過(guò)車輪作用于車輛甲板，但是由于車輪與甲板作用面很小，接觸面壓力很大，整個(gè)甲板載荷分布極其不均勻，局部應(yīng)力集中現(xiàn)象突出[4]。疲勞破壞總是出現(xiàn)在應(yīng)力集中的地方。

筆者曾參加了某輪車輛甲板疲勞破壞原因分析和探討修復(fù)方案的全過(guò)程。該輪車輛甲板局部甲板發(fā)生疲勞破壞，裂紋長(zhǎng)度約10cm，深度約2mm，破壞范圍如圖1（陰影部分為破壞范圍）。分析疲勞破壞的原因如下：①車輛超載;②重載車輛輪印處載荷較大，當(dāng)輪印處于No.10甲板縱骨兩側(cè)，且輪印落在縱向強(qiáng)框架之間時(shí)（此時(shí)甲板載荷最大），輪印左側(cè)為單板格結(jié)構(gòu)，右側(cè)為三板格結(jié)構(gòu)，左側(cè)板格結(jié)構(gòu)偏弱，在重載車輛載荷的作用下左側(cè)甲板發(fā)生屈曲變形;③輪印下結(jié)構(gòu)不連續(xù)，No.9水密艙壁垂直扶強(qiáng)材上端肘板與No.10甲板縱骨連接處，No.10縱骨向舷側(cè)未設(shè)置對(duì)應(yīng)的肘板構(gòu)件（圖2），形成輪印下局部應(yīng)力集中。綜合分析，在重載車輛載荷的作用下，因局部板格強(qiáng)度不同，結(jié)構(gòu)不連續(xù)，車輛甲板出現(xiàn)局部變形，經(jīng)過(guò)數(shù)次循環(huán)載荷的作用，甲板由局部變形發(fā)展直至疲勞破壞。

2.2應(yīng)力循環(huán)次數(shù)

應(yīng)力循環(huán)次數(shù)是指在循環(huán)載荷的作用下應(yīng)力由最大到最小的循環(huán)次數(shù)。在不同的應(yīng)力幅值作用下，車輛甲板產(chǎn)生疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不同，應(yīng)力幅值越高，導(dǎo)致疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)越少，相反則越多。車輛甲板產(chǎn)生疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)隨著應(yīng)力幅值迅速變化，重載車輛載重越大，應(yīng)力水平越高，產(chǎn)生疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)越少，即較少裝卸載次數(shù)也會(huì)導(dǎo)致甲板的疲勞破壞。研究表明，對(duì)于車輛甲板的疲勞，當(dāng)工作載荷低于疲勞極限時(shí)，車輛裝卸次數(shù)對(duì)疲勞破壞影響較小;但是如果疲勞破壞以某種方式開(kāi)始，即便工作載荷低于疲勞極限，疲勞破壞也將繼續(xù)進(jìn)行。

2.3應(yīng)力幅值

一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)力幅值是影響疲勞破壞的主要因素，車輛甲板以運(yùn)輸載重車輛為主，超重現(xiàn)象比較普遍，車輛甲板同時(shí)作用著次數(shù)較少的低應(yīng)力循環(huán)載荷和次數(shù)較多的高應(yīng)力載荷，大小載荷交互作用于車輛甲板，若干循環(huán)次數(shù)下施加高應(yīng)力載荷和少量高低應(yīng)力的交錯(cuò)載荷更容易產(chǎn)生疲勞破壞。應(yīng)力幅值越高，疲勞破壞所需時(shí)間越短。

2.4平均應(yīng)力

反應(yīng)金屬結(jié)構(gòu)疲勞性能的S-N曲線，是在恒幅應(yīng)力作用下由試驗(yàn)求得。對(duì)于復(fù)合應(yīng)力作用下的船舶，按等效損傷的原則，疲勞破壞程度為多個(gè)恒幅應(yīng)力作用下疲勞破壞的疊加。圖3為平均應(yīng)力、應(yīng)力幅值、循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線。

3減緩車輛甲板疲勞破壞的措施

延長(zhǎng)車輛甲板的抗疲勞性能，是船舶技術(shù)管理人員面臨的重要問(wèn)題。對(duì)車輛甲板而言，合理的工作載荷和優(yōu)良的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)是延緩車輛甲板疲勞破壞的重要方法。縱觀疲勞破壞的影響因素，載荷循環(huán)次數(shù)、應(yīng)力幅值和應(yīng)力集中是客觀存在的事實(shí)，改善車輛甲板疲勞性能的主要因素是消除或減少應(yīng)力集中，合理裝載和配載。具體措施如下：

（1）采用合理的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的疲勞破壞多數(shù)開(kāi)始于最大應(yīng)力處，所以設(shè)計(jì)之初應(yīng)采用合理結(jié)構(gòu)：對(duì)必須的開(kāi)口，應(yīng)考慮選擇合適的形狀和位置，盡可能增大過(guò)渡處的圓角，位置盡量布置在低應(yīng)力區(qū);

（2）減少截面突變。避免出現(xiàn)尺寸突變的不連續(xù)結(jié)構(gòu)，橫截面尺寸突變時(shí)盡可能光順和平滑過(guò)渡，確保應(yīng)力的有效傳遞。

（3）營(yíng)運(yùn)過(guò)程中合理裝載配載，車輛載荷符合甲板設(shè)計(jì)要求，降低應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力。

4結(jié)語(yǔ)

疲勞破壞是影響船舶安全營(yíng)運(yùn)的重要因素。對(duì)客滾船來(lái)說(shuō)，營(yíng)運(yùn)過(guò)程中要從可控因素改善車輛甲板疲勞性能，使可能出現(xiàn)的疲勞問(wèn)題降至最小程度。提高對(duì)疲勞問(wèn)題的重視程度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除疲勞破壞隱患，才能確保船舶的安全，避免人員生命和財(cái)產(chǎn)的損失。

參考文獻(xiàn)：

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