CSR散貨船底邊艙折角處結構疲勞設計

林文平 宋大偉 徐超友

（青島北海船舶重工有限公司 船舶與海洋工程設計研究所 青島266520）

0 引 言

眾所周知，船舶在海上航行時，船體結構一直受到波浪力和船舶運動產生的各種慣性力的作用。而波交變應力、長期的交變應力作用將會使結構產生疲勞損傷。疲勞破壞是船舶與海洋工程結構物的主要破壞形式之一。對于大型、超大型船舶而言，疲勞問題更應引起重視。據統計，船長大于200 m的中大型船舶，總損傷數的70%屬于疲勞損傷；船長小于200 m的船舶，疲勞裂紋損傷約占總損傷數的20%。而今，船舶在整個生命周期的疲勞安全越來越受到人們的關注。

1 船體主要參數

2 疲勞損傷計算基本原理

國際標準化組織（ISO）在1964年發表的報告《金屬疲勞試驗的一般原理》中對疲勞做的定義是：“金屬材料在應力或應變的反復作用下所發生的性能變化”。

本次疲勞評估依據 “IACS-Common Structral Rules for Bulk Carrier”規范進行。疲勞強度評估采用線性累積損傷方法，評估基于等效切口應力范圍，等效切口應力范圍由熱點應力范圍乘以疲勞切口因子得到。

2.1 等效切口應力范圍修正

式中：fcoat為腐蝕環境修正因子；

fmaterial為材料修正因子；

fthick為板厚修正因子；

Δσeq，j為等效切口應力范圍，N/mm2。

2.2 應力范圍的長期分布

合成切口應力范圍長期分布的累積概率密度函數應取為雙參數Weibull分布：

式中：ξ為Weibull形狀參數，取為1.0；

NR為循環次數，取為104。

2.3 基本疲勞損傷

合成切口應力范圍長期分布的累積概率密度函數應取為雙參數Weibull分布。

每一個裝載工況基本疲勞損傷應按式（3）計算：

式中：K為S-N曲線參數，取1.014×1015；

αj為系數，見表 1。

NL為船舶設計壽命的總循環次數，取：

式中：TL為設計壽命，單位s，對應于 25年船舶壽命，取為 7.884×108；

Γ為2型不完整Gamma函數；

γ為1型不完整Gamma函數。

表1 裝載工況的系數

2.4 累積疲勞損傷

用于合成等效應力計算的累積疲勞損傷D應符合下列衡準：

式中：Dj為各裝載工況“j”的基本疲勞損傷。

疲勞累積損傷度D可使用關系式 “疲勞壽命=設計壽命/D”轉換為疲勞壽命的計算。此式中，計算的疲勞壽命（年）應等于或大于船舶的設計年限。式中設計壽命取為25年。

3 有限元模型

熱點位置向外所有方向至少四分之一肋距范圍內使用精細網格建模，精細網格區域的單元尺寸近似等于評估區域的凈厚度（凈厚度tnet=tgross-0.5tc），單元的長寬比接近1。熱點處疲勞有限元模型如下頁圖1所示。

4 設計方案視圖與疲勞計算結果

下頁圖2為各設計方案視圖；表2計算結果為根據英國勞氏船級社的ShipRight SDA軟件計算所得，插值方法及切口因子以CSR規范為準。

對于裝載工況，定義詳見CSR規范第4章第4節：

（1）與 EDW“H”對應的“H1”和“H2”（迎浪）；

（2）與 EDW“F”對應的“F1”和“F2”（隨浪）；

（3）與 EDW“R”對應的“R1”和“R2”（橫浪）；

（4）與 EDW“P”對應的“P1”和“P2”（橫浪）。

圖1 熱點處疲勞有限元模型正面

圖2 設計方案視圖

5 計算結果分析

從上述計算結果可以看出，計算疲勞年限最短的為內底板往底邊艙斜板方向插值所取得的熱點應力，疲勞假定裂紋方向為沿內底板和底邊艙斜板焊縫方向（見圖3）。

圖3 疲勞裂紋發展方向與熱點周邊應力示意圖

表3與表4為各方案的疲勞壽命對比。

表3 方案二、五相對方案一的疲勞壽命對比表

表4 方案三、四相對方案二的疲勞壽命對比表

由表3、表4可以看出，方案二中增設背襯肘板結構對熱點疲勞影響最為顯著。結合圖4表明，方案二中增設背襯肘板可以有效降低疲勞熱點應力峰值，進而提高熱點疲勞壽命。圖4是重壓載艙主導載荷工況（H1工況）下的應力分布圖。

圖4 重壓載艙主導載荷工況下的應力分布

可見，在方案一基礎上增設背襯肘板可最有效地降低熱點處的應力集中，從而提高疲勞壽命。

6 背襯肘板厚度對熱點疲勞壽命影響

由先前的計算結果可以看出，輕貨艙疲勞強度的裕量較大，對設計不構成瓶頸要素，對此次疲勞設計影響較大的為重壓載艙和重貨艙。以下就重壓載艙、重貨艙下背襯肘板對熱點疲勞壽命的影響作簡要說明參見表5。

表5 背襯肘板厚度與熱點疲勞壽命關系表

表5表明，熱點處的疲勞壽命與背襯肘板厚度成正比；隨著板厚增加，新增的疲勞年限也降低，但是增加板厚對新增的疲勞壽命非常有限，每增加2 mm板厚，新增疲勞壽命不超過0.80年。

7 結 論

對比上述疲勞結果以及內底板與底邊艙斜板折角處的熱點疲勞強度，發現方案二增設背襯肘板對其提高疲勞壽命非常快，究其原因，無論在迎浪工況還是隨浪工況下，背襯肘板都可有效降低熱點處的應力范圍；無論是1.5肋位肘板還是距肋板300 mm肘板，也僅在迎浪工況或隨浪工況下，介于兩個強框架之間起了彈性支撐點作用；1.5肋位肘板較距肋板300 mm肘板距熱點距離較遠，對熱點應力范圍影響甚微，在橫浪工況下，這兩種肘板對來自船舶橫向的載荷起的作用很小。背襯肘板的厚度對熱點應力范圍影響較小，在疲勞強度充裕情況下，可考慮采納較小板厚的肘板，以降低造船成本。

［1］中國船級社.鋼制海船入級規范［M］.2012.

［2］中國船級社.船體結構疲勞設計指南［M］.2007.

［3］Llod’s Register.Structural detail design guide［M］.May 2004.

［4］IACS.Common Structural Rules for Bulk Carrier［M］.July 2012.

［5］中國船舶工業總公司/船舶設計實用手冊（結構分冊）［M］.中國交通出版社.

［6］DNV.Hull Structure Course［R］.2011.