支持船舶等海洋结构的疲劳和强度分析 -产品综述

郑俊毅

[摘 要]船舶结构疲劳强度问题的研究是目前比较热门的研究课题，本研究对船舶结构疲劳产生的原因和评价方法进行了介绍，并重点对S-N曲线疲劳分析和作用力幅值选择进行了介绍。

[关键词]船舶结构；疲劳强度；S-N曲线；

中图分类号：U66 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0096-01

实船航行中的大量实践表明，如果船舶结构疲劳强度不足，将会导致船舶结构发生破坏的概率大大增加。因此，在船舶结构的失效模式中，疲劳破坏是其中主要的一种模式，尤其是典型节点部位的疲劳强度测试是重中之重。近些年来，船业制造广泛使用高强度钢，这就使得疲劳问题更为突出，越来越受到国内外研究人员的重视。

1.船舶结构疲劳介绍

1.1 产生原因

微裂缝的产生以及扩展的出现是结构疲劳产生的主要原因，微裂纹的存在是因为组成船体的构件都会存在一定的缺陷，这是不可避免的，比如构件有夹层、凹坑和气泡等问题，而这些构件又承受着载荷引起的各种交变应力，一旦交变应力达到一定程度，存在缺陷的构件将会产生微裂纹[1]。应力集中在微裂纹的尖端处，当应力反复作用在微裂纹处，将会加重裂纹的程度，一旦裂纹达到一定的限度，构件的脆性断裂就不可避免的会发生。

1.2 疲劳强度的评价

关于船舶结构疲劳强度的评估方法，目前世界上主要的船级社给出的有简化算法和直接计算法两种。在简化算法中，采用简化的公式计算疲劳载荷以及应力范围。另外应力还可以用有限元直接计算，在直接算法中，疲劳载荷是通过波浪载荷计算程序获得的，然后借助有限元分析得到疲劳应力范围和疲劳应力响应[2]。两种方法相比，在反应结构的细节方面，简化算法更为详细，所以在对非常规船舶进行疲劳强度分析时比较适合，也普遍被各国船级社采用。对于直接计算法，一般有两种方法，谱分析法以及设计波法。谱分析法普遍借助线性理论，工作量比较大，极大的限制了基于谱分析的计算法的使用。在疲劳强度分析中，相对而言，设计波法的工作量比较少，而且能得到比较合理的结果，同时对于非线性疲劳载荷影响疲劳损伤的问题也能充分考虑到。但是，目前国内设计波法的理论发展还不完善，需要继续研究完善。

2.船舶结构疲劳强度问题探究

2.1 运算原理

运算船舶构造在波浪中回应的短期散布，是测定船身构造疲劳强度的切入点。构件发生疲劳损坏不是一个短期过程，而是一个长期积攒的过程，在运算船身回应的短期散布时，在高频动载出现概率不大的情况下，线性迭加的原理就能应用于此。目前来说，利用比较广泛的方法是借助谱分析法，合成在波浪中的船身构造的作用力回应，然后借助S-N曲线，对船身构造的疲乏时期进行估算，还可以借助线性累计损坏理论对设计期限内的疲劳损坏程度进行估算。

具体来说，谱剖析法可以分为短期预报、切片理论运算和长期疲劳强度剖析三个过程。具体来说：第一个步骤中的短期预报即为运算船身构造作用力的回应谱。这个步骤采用有限元法对局部载重作用下，船身构造的回应进行运算，完成了构造的局部作用力回应运算，就能将构造在船身局部作用力的疲乏损坏率运算出来；第二个步骤是借助切片理论将船身所受的波浪载重运算出来，切片理论基于平面流假设，是将船身的任意横剖面当作无限长柱状体，在对船身周围的流场进行求解时，用剖面内的二元流动取代船身周围的三元流动，将得到的二元流动剖面作出二维流体动力，进行升沉、横荡运动分析，沿船长积分，三维流体动力就能被运算出，这样，船身的波浪载重就能计算得到；第三个步骤是计算长期疲劳强度，本步骤的计算是通过短时间内的疲劳损坏计算得到的，需要考虑海洋情况、航向、速度以及载重等对短期疲劳强度的影响，然后将在设计期限内的船身构造短期疲劳损坏加权得到累积损坏率。

2.2 船舶结构疲劳强度评估

评估船舶结构疲劳强度时，需要将长期内的结构应力范围考虑在内，这样，结构应力的累计疲劳损伤的计算就变的容易了。但是由于海洋环境非常复杂，这样在对船舶结构应力长期估算方面就存在一定的难度。所以，在进行实际分析时，需要一些简单的疲劳强度估算的计算方法，这样的方法主要采用的思想有：将应力范围的长期分布假定为两参数的Weibull分布；借助给定的海况数据，长期分析船舶的载荷，再将得到的疲劳载荷结果进行拟合，就可以得到一个经验公式，这个公式是一个计算形状的参数值，是用船舶的特征参数表达的；一般来说，船的长度、吃水深度和型深是经常需要考虑在内的船舶特征参数；疲劳载荷谱的合适回复期也需要进行规定，比如在DNV规范中，用No=104疲劳载荷作为疲劳评估方法的回复期；疲劳累积损失借助Miner理论和S-N曲线得到，再根据Weibull分布的形状和尺寸参数，可以计算得到疲劳累积损失度D，当损失度D达到一定的程度，则船舶结构发生破坏。

对于疲劳强度校核方法，目前世界上的主要船级社都有各自的规定，而疲劳强度评估方法，各船级社的方法差别比较大，总而言之，他们的方法在计算过程和主要内容方面还是比较类似的，都包括：计算疲劳载荷方法、计算应力范围分量方法、合成应力范围方法、确定S-N曲线方法、计算和衡准累积损伤度的方法。

2.3 基于S-N曲線的疲劳强度分析

在非批量制造中，比如船舶的制作中，采用模拟实验对构件和节点的疲劳强度进行估算是非常不合理的，耗费资金量也比较大。一般来说，船舶结构的疲劳强度估算一般是采用S-N疲劳强度实验确定的。

疲乏期限作用力S-N曲线是幅值曲线，其中S是作用力幅值，代表交变作用力，N是疲乏期限，也就是破坏作用力的循环次数，在所讨论对象中，是指在恒幅交变作用力作用下的发生破坏的期限。多数情况下，S-N曲线的获得是通过选取常数作用力幅值，进行疲劳试验求解得到的。在实际情况中，实验条件以及试件本身并不是确定不变的，所以疲劳试验的结果的随意性也是比较大的，而且即便是对于相同条件的一组试件，测定的疲劳试验结果也是分散性的，结果的处置还是需要借助概率统计方法的。

2.4 S-N曲线中作用力幅值选择

船舶结构疲劳强度的估测办法中常见的有：物理模型实验法、经验公式方法、有限元剖析法。在对作用力幅值进行确定时，由于船舶构造的复杂程度不同，船舶的载重类型不同，这几种方法的精度并不相同。作用力幅值的作用主要体现在船舶疲劳期限的运算中，所以，应该选用合适的作用力幅值进行船舶结构疲劳期限的估算。目前，在估测船舶疲劳期限时主要有三种方法：第一种是名义作用法，这种方法的依据是截面的特性和船舶构件受到的作用力；第二种是热点作用力法，通常情况下，构造节点热点是船舶构造中比较容易出现裂纹的地方；第三种是切口作用力法，这种方法是指作用于焊接部位的峰值作用力，也包括因焊接使得船舶结构导致的集中作用力。

3.结论

综上所述，船舶疲劳破坏是船舶结构失效的一种比较重要的模式，一直以来船舶结构疲劳强度研究一直都是海洋工程研究的热点。本研究中对船舶结构强度问题进行探究，对其运算原理和估算方法进行介绍，其中还介绍了S-N曲线的疲劳强度分析和作用力幅值选择。

参考文献

[1] 刘颖，姚国全.船舶结构疲劳强度分析中的几个问题探索[J].科技展望，2016，（31）：164.

[2] 张明强，蓝文龙.大型船舶结构的疲劳强度研究[J].中国水运，2016，16（3）：8～12.