船舶結構疲勞的誘發(fā)因素與強度評估方法

朱道峰

（中國船級社天津分社，天津 300457）

0 引言

船舶結構設計中必須將結構疲勞納入考慮范圍，只有這樣才能真正確保船舶在各種特殊環(huán)境條件下健康運行。要提高船舶結構牢固度，減少結構疲勞帶來的其他方面問題，船舶在水體內可能承受更大的荷載，遭受更大的破壞，因此，有必要深入分析船舶結構疲勞的誘發(fā)因素，并分析強度評估方法，從而控制船舶結構疲勞度[1]。

1 船舶結構疲勞的誘發(fā)因素

船舶結構疲勞的誘發(fā)因素是多種多樣的，其中既包括客觀外力因素，也包括人為失誤等所導致的問題。

1.1 船舶設計與加工不合理

船舶結構特征決定著船舶使用功能的發(fā)揮，特別是不合理的結構設計將影響其使用周期，船舶結構疲勞的一大誘發(fā)因素就是設計環(huán)節(jié)忽視了船舶結構的承重能力以及使用周期，從而影響船舶的使用壽命，而且船舶生產、加工操作中，都對結構、功能、性能等提出了具體的要求，隨著水路運輸量的增大，社會需求的繁瑣復雜，使得很多船舶企業(yè)在生產、制造船舶過程中，沒能認識到船舶結構、構造等對承重能力、運輸效率以及結構疲勞的影響，或者施工過程偏離了設計圖紙中的要求，從而導致船舶運輸能力下降，其中最關鍵的環(huán)節(jié)就是焊接位置不牢固，達不到預期的規(guī)定和要求，從而使得船舶運輸中出現多種結構性的安全問題，導致船舶結構疲勞。眾多的研究表明，船舶外力變化次數和船舶的長度關聯密切，二者之間的關系如下所示。

長度為50 m的船舶，外力變化次數為0.928；長度為100 m的船舶，外力變化次數為0.788；長度為150 m的船舶，外力變化次數為0.725；船舶長度為200 m，外力變化次數為0.685；船舶長度為250 m，外力變化次數為0.658；船舶長度為300 m，外力變化次數為0.636。

從以上數據看出，船舶外力變化隨著船舶長度的變長而減小。

1.2 多變復雜的外力

船舶所能承受的外力時刻在發(fā)生變化。船舶有自身的載貨量要求，載客量也有著限值要求。船舶處于供不應求的狀態(tài)下，一些船舶運輸企業(yè)為了增加運輸經濟效益，則不合理地增加載貨量，導致船舶運輸嚴重超載，一旦載荷超出了允許的范圍，則將增加船舶的結構疲勞度，使得船舶結構受損，甚至面臨其他方面的問題。同時，船舶所處運輸環(huán)境各不相同，特別是水域條件與水體特點都將直接影響到船舶結構牢固度，一些海上鹽水密度較大的水體環(huán)境，勢必會增加船舶主體結構的腐蝕度，從而加劇結構疲勞。

1.3 船舶的養(yǎng)護維修不到位

任何交通工具都需要定期地進行維護、檢修與養(yǎng)護，只有這樣才能真正地保護交通工具的結構安全，從而延長其使用周期。然而，現實的船舶養(yǎng)護與維修未能達到理想的規(guī)定標準，一些交通運輸船舶未能依照規(guī)定的周期和要求開展維護工作，使得船舶運輸中面臨多種更加復雜的問題，甚至影響船舶的使用壽命。

1.4 船舶操作與運行規(guī)范度

交通運輸工具都有預測性的使用周期，如果交通工具能嚴格地依照設計的規(guī)定和操作規(guī)范來運行則能減少其結構受損度，增加船舶結構牢固度，相反，如果未能依照科學的規(guī)范與規(guī)定來運行則將影響船舶的使用周期，具體體現在其結構變形、局部受損等，船舶操作與運行過程中可能涉及到多種預定的規(guī)范、規(guī)程，這需要船舶操作人員具備合格的素質和專業(yè)水平，能夠切實地遵守操作規(guī)范來操作船舶，這樣才能真正地提高船舶運行效率，確保船舶的運行速度。

1.5 微裂紋未及時整治

船舶結構疲勞一般是因為船舶運行中出現了微裂紋，微裂紋源自船舶運行中船體自身的若干構件承擔的超出預期標準的荷載所導致的交變應力，船舶運行中并非各個構件都完好無損，個別構件存在缺陷或問題，出現氣泡、夾層等現象，當船舶的交變應力較大，超出了船體自身承擔的限度，則將引發(fā)微裂紋，然而，因為微裂紋尖端位置應力相對集中，而且會跟隨應力反復循環(huán)，導致微裂紋面積擴大，當微裂紋達到足夠大的范圍，船舶構件將出現脆弱性斷裂，從而增加了船舶運行的風險[2]。

2 船舶結構疲勞強度評估方法

2.1 S-N曲線法

S-N曲線法是船舶結構疲勞強度的一大權威評估方法，不同于其他評估方法和理論，此方法一般適合用于疲勞強度評估的初始時期，因為“宏觀裂紋”理念被深入、全面地用在疲勞強度評估中，從而導致S-N曲線評估方法能被全面、妥善地運用于船舶全周期疲勞評估中，這一方法的運用必須達到規(guī)定的要求和標準，也就是結構工藝與材料等所引發(fā)的裂紋并非會因為遭受外部因素的干擾而變化消失，以及伴隨著時間的延續(xù)、變化而逐漸地靠近臨界值。此方法在實際應用過程中，具體又包括以下方法：熱點應力法、名義應力法和切口應力法等。經過全方位地分析數據，能對應繪制出對應的疲勞強度S-N曲線，從而實現對船舶結構疲勞強度的全過程計算與評估，不同的評估方法對應的優(yōu)勢和缺點也有所差異，具體體現為：

熱點應力法。優(yōu)點：S-N曲線數量少；缺點：KC需要較為復雜的計算，焊接點熱點應力非線性特征。

名義應力法。優(yōu)點：計算簡單、易操作，計算量??；缺點：精度變化較大，其中需要較多的S-N曲線數量。

切口應力法。優(yōu)點：S-N曲線數量少；缺點：應力需要較多的計算，焊接點應力有較大的離散度。

2.2 裝載狀態(tài)評估法

按照船舶結構疲勞強度來評估，通常選擇最為簡單、方便操作的方法，也就是將船舶的裝載狀態(tài)劃分為滿載、壓載，從而對船舶的結構疲勞強度來測評，以這兩大狀態(tài)為參考依據來計算工況，實際的壓載狀態(tài)下的工況計算過程中，通常要考慮到一種工況或多種工況，例如：ABS一般是要計算出10種裝載工況數，DNV、CCS、CRS等則需集中思考并計算滿載與壓載工況數，計算得的每一個工況數，都可以參照以往經驗、已有公式等來對應算得各個工況數之下的某一個超越概率水平的波浪誘導荷載值與運動響應值，此時需要算得因為船體自身運動使得船舶裝載貨物對于船舶本身的動荷載的干擾度和影響度，現實計算操作中，應算出船舶本體的梁荷載所導致的船舶梁應力，同時，也要對應算得因為外部水動壓力、船體運動等導致的船體內部裝載貨物因慣性力等局部荷載所導致的局部壓力。同時，也要將船舶自身的梁應力與局部應力妥善結合，對應算得可供參考的應力值，得到此參考應力值后，也需要參照參考應力、以及其所對應的概率水平，通過科學的計算就能對應力某一時段的分布范圍得出數值的表現，并參照S-N曲線、Miner線性累積損傷理論等獲得船舶結構疲勞累積損傷度，從而對船舶的結構疲勞強度做出最合理的評估[3]。

2.3 船體梁應力評估法

船舶以及其他水上交通工具在實際運行中，都需要分析船體的梁應力，其中要重點考慮到船體梁垂向彎矩、水平彎矩等引發(fā)的船體梁應力，實際的波浪誘導垂向彎矩計算過程中，通常采用IACS計算公式，然而，實際計算過程中依然會出現較大的差距值，因為所采用的計算方法有所差異，當計算船體梁應力以后，其組合模式也存在一定的差異性[4]。

2.4 設計波評估法

為了減少評估中的計算與運算，可以選擇設計波法，這一方法和譜分析法有較大的差異，這是因為設計波方法一般是憑借控制工況來讓船舶結構分析更加簡單化、易操作化。

1）科學選擇設計波。船舶結構疲勞強度實際的評估過程中如果選擇設計波法，首當其沖是要正確地選擇設計波，通過科學地選擇設計波才能更加準確、高效地分析、判斷導致船舶疲勞受損的成因與設計響應，實際的設計響應判斷操作中一般包括荷載響應和運動響應，而且實際計算與分析這2種響應過程中，設計響應中設計波的浪向、頻率等都可以充當設計響應傳遞函數的最大值所對應的浪向與頻率。

2）應力范圍的長期分布。實際分析、評估船舶疲勞強度過程中，可以采用設計波的方法來計算、評估，也必須對應力范圍的長期分布來加以處理，對應力范圍的長期分布一般要借助Weibull來加以分析、處理，而且對梁應力也要借助有限元模型來加以計算，同時，也要把水線附近的壓力非線性影響因素融入計算內容中，從而確保應力范圍分布的科學計算。

2.5 直接計算法

船舶結構疲勞強度評估還可以選擇直接計算法，相較于簡化計算法，直接計算法重點是對波浪載荷直接加以計算，進而算得疲勞載荷，并對應選擇結構有限元分析法，以及相關的科學計算法來對應算得疲勞應力響應以及應力范圍，在疲勞強度直接計算方面，必須首先明確波浪載荷。一般來說，常規(guī)模式下，船舶結構如果發(fā)生疲勞，多數是由于低海況波浪所導致的，船舶的類型不同，對于波浪荷載的影響度也不同，如果是滾裝船，散貨船，它們都有直舷特點，對于外形相對豐滿的船舶，很難因為外張抨擊導致非線性荷載的變小，非線性波浪荷載本身也承載多種問題亟待解決，所以，線性波浪荷載條件下，船舶結構疲勞度的強度估算是切實科學可行的，實際的評估操作中，可以選擇多種直接計算法，一般可以選擇譜分析法和設計波分析法。直接計算法運用于船舶結構疲勞強度評估中，有著多方面的優(yōu)勢，其中需要重點計算疲勞載荷，譜分析法來評估船舶強度時，必須精準地算出不同荷載之間的相位關系，而且也要對非線性波浪載荷對疲勞損傷所引發(fā)的因素給予高度關注。第一步，必須站在整體角度分析、計算船舶結構疲勞的載荷；第二步，展開性地剖析船舶的勞應力，可以采取短期預報、長期預報等方式來加以計算，長期預報主要是圍繞船舶整個生命周期內不同狀況進行的分析，也要對應參照海量散步圖來對應輔助地加以描述，短期預報則要重點考慮到短峰波、長峰波與海浪譜等關鍵點。其中如果圍繞船舶疲勞應力實施短期預報，具體的分析則適合選擇ISSC雙參數P-M譜，相反，對長峰波、短峰波等的計算則適合選擇cos2函數。長期預報一般是圍繞船體在運行時間內所遭遇的多種情況、各種狀態(tài)展開的分析與研究，而且也要對海浪的散步圖加以分析和描繪。個別情況下，普遍認為某些操縱參數和海浪無直接關系，然而，現實生活中卻未如此，這是由于個別氣候條件較差、環(huán)境惡劣的狀況下，特別是強風、雷暴等發(fā)生時，船舶的運行自然將遭受極大的影響和挑戰(zhàn)，甚至可能導致船舶失速現象，而且這些問題的出現也將導致壓載分布的變化，壓載將跟隨海水的變化而動態(tài)浮動，對此就要參照特殊的操縱參數來正確構建模型[5]。

2.6 船舶荷載計算法

船舶結構疲勞強度評估的前提是要對船舶荷載進行科學地計算，在眾多的計算方法中，一般選擇線2D切片法與線3D法，前者更能高效地呈現與預測出波浪的荷載，同后一種計算方法對比起來更加地省時省力，然而，若選擇譜分析法來對結構疲勞加以評估時，則要圍繞波長、浪向組合的載荷實施大規(guī)模地計算與預報，其中需要投入特定的時間和精力，對此可以選擇2D切片法，然而，如果對船舶結構疲勞強度加以評估，則適合選擇3D法，這是因為此方法對于測算個別的存在航速、荷載分布導致船體水動力問題的船體有著較好的效果，總體來看，3D方法更加實用，然而，若選擇譜分析法來評估船舶結構疲勞強度，則要計算荷載之間的相位關系，其中也要分析出非線性波浪荷載對疲勞損傷的干擾與影響，因此，目前一般選擇線性波浪荷載方法來評估船舶結構疲勞強度[6]。

3 結語

船舶結構疲勞是多種因素同步施加所導致的，必須重視船舶結構疲勞誘發(fā)因素的分析，從源頭上采取措施來控制船舶結構疲勞，從而延長船舶的運行周期，減少結構疲勞對船舶運輸帶來的不良影響，提高船舶運輸效率，創(chuàng)造理想的船舶運行質量，減少因為船舶疲勞帶來的風險與其他危機。