小水線面雙體船連接橋結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

甄春博，任慧龍，馮國慶，李陳峰

(哈爾濱工程大學(xué)多體船技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001)

小水線面雙體船具有耐波性優(yōu)良等特點(diǎn)，在軍用和民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［1-2］.該型船主尺度一般比較小、外形特殊，所受波浪載荷復(fù)雜，且由于采用大量高強(qiáng)度鋼，故整體剛度較常規(guī)船偏弱［3-5］.與常規(guī)單體船不同的連接橋結(jié)構(gòu)，受力情況明顯不同于常規(guī)船型，其疲勞強(qiáng)度問題顯得特別突出.目前對其疲勞問題的研究大都采用依照規(guī)范的理論分析方法［6］.

疲勞評估的一個關(guān)鍵問題是選取合適的S-N曲線，對于小水線面雙體船連接橋結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有規(guī)范沒有合適的S-N曲線［7］.為了更合理地評估疲勞強(qiáng)度，用模型試驗(yàn)的方法確定該部位的S-N曲線特性非常必要.

目前，在船舶與海洋工程領(lǐng)域，疲勞試驗(yàn)主要集中于特定鋼材或典型焊接節(jié)點(diǎn)型式的標(biāo)準(zhǔn)試件，針對實(shí)尺度結(jié)構(gòu)模型的疲勞試驗(yàn)很少［8］.因此，針對小水線面雙體船連接橋部位的特殊結(jié)構(gòu)，制作實(shí)尺度結(jié)構(gòu)模型，對被研制的結(jié)構(gòu)部件在模擬真實(shí)載荷及環(huán)境下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時，不僅能正確地評價結(jié)構(gòu)部件的疲勞強(qiáng)度和疲勞特性，而且還能驗(yàn)證疲勞分析理論計(jì)算的預(yù)期效果，對現(xiàn)有評估方法進(jìn)行修正.

本文針對某型小水線面雙體船，采用全船有限元計(jì)算方法，確定了疲勞問題嚴(yán)重的部位.根據(jù)受疲勞影響區(qū)域的結(jié)構(gòu)情況，設(shè)計(jì)典型節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)Ｐ?根據(jù)該船航行區(qū)域經(jīng)常出現(xiàn)的海況確定載荷水平，進(jìn)行典型節(jié)點(diǎn)實(shí)尺度結(jié)構(gòu)模型疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，獲取了典型節(jié)點(diǎn)在不同載荷水平下的疲勞壽命值，在此基礎(chǔ)上得到S-N曲線特性，并對船體典型節(jié)點(diǎn)部位進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評估.

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

小水線面雙船體連接橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最弱且受力和變形最大的部位是支柱體上端和連接橋的根部.研究表明，橫浪工況下的疲勞損傷占主導(dǎo)地位［9］.在此工況下，分析雙船體所受主要載荷橫向?qū)﹂_力引起的應(yīng)力分布情況，選取應(yīng)力集中問題嚴(yán)重的船中Fr48橫艙壁和Fr44強(qiáng)框架部位作為疲勞試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示.

圖1 疲勞試驗(yàn)部位Fig.1 Fatigue test position

對上述節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)截取模型，模型尺寸均為長×寬 × 高 =2.4m ×0.6m ×1.6m.試驗(yàn)加載方向模擬橫向?qū)﹂_力作用方向，試驗(yàn)時的模型應(yīng)力分布與整體計(jì)算時該部位的應(yīng)力分布一致，模型制作材料選取、節(jié)點(diǎn)處焊接工藝、焊接形式采取和實(shí)船相同.加載后的模型有限元計(jì)算所顯示的熱點(diǎn)部位與全船分析一致，如圖2所示.

圖2 有限元模型應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution of the FE model

2 試驗(yàn)情況概述

Fr44部位模型共做3個，分別選取3個載荷工況;Fr48部位模型共做6個，分別選取4個載荷工況.試驗(yàn)設(shè)備采用MTS試驗(yàn)系統(tǒng)和DHDAS_3817N動態(tài)信號采集分析系統(tǒng).疲勞試驗(yàn)前，進(jìn)行了焊趾附近的靜應(yīng)力分布測試，找出熱點(diǎn)位置.電阻應(yīng)變片粘貼在焊趾根部.試驗(yàn)采用應(yīng)力比R=－1的正弦波.疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)選取穿透壁后的循環(huán)次數(shù).試驗(yàn)安裝圖如圖3所示.

圖3 模型試驗(yàn)圖Fig.3 The photograph of the model test

3 加載載荷計(jì)算

確定加載載荷時，在同時考慮本船航行區(qū)域中出現(xiàn)概率較大的海況以及在該海況下的損傷情況下，確定了典型海況，并求出每個海況下等效應(yīng)力范圍.由于此等效應(yīng)力范圍對應(yīng)破壞時循環(huán)次數(shù)較大，綜合考慮試驗(yàn)時間情況，在損傷等效的前提下最終確定了加載水平，具體如表1所示.

表1 加載載荷計(jì)算Table 1 Calculation of loading load

4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)r48部位模型破壞部位在下甲板下部縱骨穿越橫艙壁處，F(xiàn)r44部位模型破壞部位在下甲板上部縱骨穿越強(qiáng)框架連接處.計(jì)算應(yīng)力范圍時選取與裂紋擴(kuò)展方向垂直的45°范圍內(nèi)的主應(yīng)力.試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2和3所示.

表2 Fr48部位模型試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The testing results of the Fr48＇smodel

表3 Fr44部位模型試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The testing results of the Fr44＇smodel

5 S-N曲線擬合

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對于中等壽命區(qū)內(nèi)各級應(yīng)力水平，對數(shù)疲勞壽命都遵循正態(tài)分布;在雙對數(shù)坐標(biāo)系下，中值S-N曲線和P-S-N曲線均為線性關(guān)系.此時，正態(tài)母體平均值μi和母體標(biāo)準(zhǔn)差σi均與lg Si成線性關(guān)系［10-11］.本文采用極大似然法得到試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腟-N曲線特性.

對于Fr48部位試件，以應(yīng)力水平Sd下的q個對數(shù)疲勞壽命觀測數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別作為該應(yīng)力水平下對數(shù)疲勞壽命母體分布的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的估計(jì)量［10］，任一應(yīng)力水平Si下的對數(shù)疲勞壽命的母體平均值估計(jì)量和標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)量可表示為

式中:a1、a2是待定常數(shù).

似然函數(shù)為

將式(1)、(2)代入式(3)，依據(jù)極大似然原理可解出a1和a2，進(jìn)一步可得任一存活率的對數(shù)安全壽命為

在船舶與海洋工程的疲勞可靠性分析中，一般采用存活率 p=97.72%的 P-S-N曲線，此時up= －2.

對于Fr44部位試件，由于每個應(yīng)力水平只做了一個試件，上述方法已不適用，此時可用極大似然法得到存活率p=50%的中值S-N曲線［12］.假設(shè)在任意應(yīng)力范圍下對數(shù)疲勞壽命的方差均為，參照規(guī)范S-N曲線采用定斜率m=3.似然函數(shù)為參數(shù)lg A的估計(jì)值為

依據(jù)如上理論，對Fr48部位試件數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用FORTRAN90程序解得系數(shù)a1=－4.155，a2=0.393.最終求得存活率p=97.72%時的S-N曲線為

對Fr44部位試件數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得中值S-N曲線:

分析上述曲線以及規(guī)范中曲線可知，試驗(yàn)所得曲線位于規(guī)范［7］中曲線C和曲線D之間，并且和C曲線較為接近.

6 實(shí)船疲勞壽命計(jì)算

依據(jù)CCS規(guī)范，應(yīng)用熱點(diǎn)應(yīng)力法對焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析時采用E曲線［7］，利于譜分析方法對試件所處位置典型節(jié)點(diǎn)分別采用E曲線和試驗(yàn)所得曲線進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，所選節(jié)點(diǎn)位置如圖4所示.

圖4 疲勞校核節(jié)點(diǎn)Fig.4 Structural nodes for the fatigue check

設(shè)計(jì)壽命期的疲勞累積損傷度D和壽命Tf按下式計(jì)算:

式中:Td為該船設(shè)計(jì)壽命，為20a;其余各參數(shù)意義參見文獻(xiàn)［9］，疲勞壽命計(jì)算結(jié)果如表4所示.

表4 實(shí)船疲勞壽命計(jì)算Table 4 Resu lts of the SWATH ship＇s fatigue life

計(jì)算結(jié)果表明，采用試驗(yàn)所得S-N曲線計(jì)算時所得疲勞壽命較大，按現(xiàn)有規(guī)范選取連接橋結(jié)構(gòu)部位S-N曲線是偏于保守的.

7 結(jié)束語

按實(shí)際尺寸對船舶結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，其工裝設(shè)計(jì)、模擬實(shí)船受力的加載模式、加載載荷水平的確定都是試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵所在.本文成功進(jìn)行了小水線面雙體船連接橋結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，并得到了連接橋部位S-N曲線特性，驗(yàn)證了船舶結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)實(shí)尺度模型疲勞試驗(yàn)的可行性.

對實(shí)船計(jì)算表明，依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范的S-N曲線的對雙體船進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評估，結(jié)果是偏于保守的.依據(jù)本次試驗(yàn)得到S-N曲線特性對于雙體船等多體船連接橋結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度評估具有參考意義，并對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù).

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