船舶吊車基座疲勞分析過程解析

摘 要：本文通過對某VLCC大型改裝項(xiàng)目的吊車基座進(jìn)行疲勞分析，根據(jù)DNV船級社規(guī)范，闡述了吊車基座疲勞分析的基本過程。即利用Abaqus軟件建模進(jìn)行有限元計(jì)算，得出各個疲勞位置的應(yīng)力幅，然后根據(jù)DNV規(guī)范疲勞計(jì)算公式，對不同應(yīng)力狀況進(jìn)行疲勞計(jì)算。

關(guān)鍵詞：疲勞壽命；有限元計(jì)算；Abaqus軟件；S-N曲線

1 疲勞的概念

所謂疲勞，是指船體或者其他結(jié)構(gòu)在低頻交變載荷的長時間的循環(huán)作用下，出現(xiàn)破損裂縫-疲勞裂紋，構(gòu)件在交變應(yīng)力的作用下，其工作應(yīng)力雖低于材料的屈服極限，但是經(jīng)過長期重復(fù)之后，即使是塑性較好的材料，也會突然斷裂，而且斷裂前沒有較明顯的塑性變形，這種破壞形式，過去曾被誤認(rèn)為構(gòu)件長期在交變應(yīng)力下工作，由于“疲勞”引起材料性質(zhì)的改變而造成的，習(xí)慣上稱為“疲勞破壞”。近代的實(shí)驗(yàn)研究以否定了這種說法，但是至今還沿用“疲勞”這一名詞。

2 吊車基座疲勞分析過程

對于吊車基座的疲勞計(jì)算主要考慮波浪產(chǎn)生的環(huán)境載荷和吊車操作過程中產(chǎn)生的循環(huán)載荷。它的疲勞分析通常采用基于S-N曲線累積損傷方法，在進(jìn)行疲勞分析的時候，對疲勞損傷起顯著作用的應(yīng)力范圍均應(yīng)予以考慮。

2.1 Palmgren-Miner線性累積損傷理論

（1）

其中，D=累計(jì)疲勞損傷；

a=S-N曲線參數(shù)

m=S-N曲線反斜率

k=應(yīng)力范圍考慮的數(shù)量

ni=應(yīng)力范圍為 時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)

Ni=所考慮節(jié)點(diǎn)相關(guān)S-N曲線中得到的對應(yīng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)

？濁=利用系數(shù)

疲勞強(qiáng)度分析要考慮所用可能的工況，應(yīng)力范圍的數(shù)量應(yīng)該足夠多，來確保疲勞強(qiáng)度的可靠性。

結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命期間內(nèi)的累積損傷度D 應(yīng)滿足下式要求：

D≤1.0

2.2 疲勞分析的典型位置

在進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析的時候，除了考慮循環(huán)載荷外，還要選擇容易發(fā)生疲勞破壞的位置，下面是疲勞分析的典型位置。

a）肘板趾端的位置（見圖1）

b）幾何形狀過渡位置

c）開孔位置（見圖2）

d）板連接的位置，一般是板連接處未對齊

2.3 周期性載荷的施加

由于周期性載荷對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命起主要作用，包括環(huán)境加速度，因此，吊機(jī)操作過程中的循環(huán)載荷，環(huán)境加速度以及因波浪彎矩產(chǎn)生的變形對吊車基座的影響等就是吊車基座疲勞狀態(tài)下的載荷。載荷輸入見表1。

2.4 有限元網(wǎng)格的劃分及應(yīng)用軟件

根據(jù)疲勞區(qū)域有限元網(wǎng)格的特殊要求，需要在疲勞計(jì)算的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以便合理的捕捉到結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值。一般情況下，網(wǎng)格的大小取板厚尺寸的大小或者取一半板厚的尺寸，疲勞區(qū)域網(wǎng)格有限元模型見圖3。

此圖用Abaqus軟件進(jìn)行建模，此軟件已在船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，該軟件最大的特點(diǎn)就是操作簡單，實(shí)用，界面好，很多設(shè)計(jì)公司，船廠以及船級社都應(yīng)用該軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析。

3 疲勞壽命計(jì)算

3.1 疲勞壽命的選擇

吊車基座疲勞壽命的選擇，主要根據(jù)實(shí)際工作中的使用頻率和工作載荷來確定。根據(jù)DNV規(guī)范，表2顯示了分類和疲勞壽命的規(guī)定。

我們所分析的吊機(jī)屬于類別1疲勞壽命為63000。

3.2 應(yīng)力的選取

作為疲勞計(jì)算的應(yīng)力應(yīng)該是同一位置下對稱工況的應(yīng)力數(shù)值。根據(jù)船級社要求，熱點(diǎn)應(yīng)力作為疲勞計(jì)算的應(yīng)力值。熱點(diǎn)應(yīng)力的選擇有以下兩種方法。

（1） 對熱點(diǎn)應(yīng)力位置0.5t和1.5t位置處的應(yīng)力值進(jìn)行線性差補(bǔ)。

（2） 1.12倍的0.5t位置處的應(yīng)力值。

在此計(jì)算中采取方法2，讀取0.5t位置處的最大主應(yīng)力然后放大1.12倍。

表4為從Abaqus有限元結(jié)構(gòu)模型中讀取的每一種工況下肘板趾位置的最大應(yīng)力和經(jīng)過計(jì)算后熱點(diǎn)應(yīng)力幅值。

3.3 S-N曲線的選取

S-N曲線是根據(jù)材料的疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的應(yīng)力S和疲勞壽命N的關(guān)系曲線。根據(jù)不同的焊接形式和結(jié)構(gòu)形式選取不同的S-N曲線。曲線D作為肘板趾端的疲勞計(jì)算，曲線F3作為開孔處邊緣的疲勞計(jì)算。表3顯示選取S-N曲線對應(yīng)的參數(shù).

3.4 疲勞壽命的計(jì)算

通過讀取熱點(diǎn)應(yīng)力的數(shù)值，經(jīng)過計(jì)算得出應(yīng)力幅值范圍，根據(jù)S-N曲線選擇計(jì)算得到相應(yīng)位置的疲勞壽命。表4，5列出了各個疲勞位置的應(yīng)力幅值和疲勞壽命利用率。根據(jù)DNV規(guī)范公式如下：

4 結(jié)論及意義

4.1 通過上述公式，計(jì)算出了不同位置應(yīng)力作用下的疲勞壽命，當(dāng)不滿足疲勞壽命要求時，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)措施修改后，重新計(jì)算。

4.2 本文是通過有限元計(jì)算后，按DNV規(guī)范中公式計(jì)算疲勞壽命，是吊車基座疲勞分析中比較普遍和準(zhǔn)確的一種方法。在一般的船舶建造，修理，改裝及部分海工項(xiàng)目中，可以廣泛應(yīng)用此方法來進(jìn)行吊車基座的疲勞分析。

參考文獻(xiàn)

[1]DNV. Notes No.307 Fatigue Assessment of Ship structures. Norway： DNV， 2005.

[2]王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，1995.

[3]DNV. Recommended Practice DNV_RP_102 February 2002 Appendix H Crane Pedestals. Norway： DNV，2002.

[4]DNV. RP_C203 Fatigue Design of Offshore steel structures. Norway： DNV，2005.

[5]Marquis G. Fatigue testing and analysis using the hot spot method. Finland： VIT Publications， 1995.