艦船大風浪中縱向強度標準應用

應榮熔，王 驍，王菲菲，石愛國

(1.海軍大連艦艇學院航海系，遼寧大連116018;2.東北財經大學圖書館，遼寧大連116018)

0 引言

艦體結構在波浪中整體彎曲 (總縱彎曲、橫向彎曲)或扭轉破壞，是船舶結構整體破壞的主要形式。艦船則由于船體細長，加上出于抗沉性的需要，橫向艙壁較密，因而其整體強度以總縱強度為主，很少考慮橫向強度和扭轉強度?；诖?，計算艦體在風浪中的強度橫準時，僅計算艦體總縱強度。同時，船舶在波浪中航行時，一直受到波浪力及船舶運動產生的慣性力作用，這些是不斷變化的動負荷，會引起船舶結構內部的交變應力，造成疲勞損傷。海損事故分析表明，疲勞破壞是船體結構另一重要破壞形式。為此，在強度計算中，還應包括對艦船服役以來累計損傷度D的估計，以利于正確計算艦船的強度。

1 總縱強度衡準數計算

1.1 計算艦船中橫剖面所受外力矩

艦船中橫剖面所受外力矩有靜浮力矩［1］、興波彎矩及波浪彎矩［2］，3種力矩的計算方法如下:

1)靜浮彎矩

式中:Cb為方形系數;L為船長;B為船寬。

2)興波彎矩

式中:mx為X方向質量;CW為水線面面積系數。

3)波浪彎矩

波浪平均截零周期［3］可按下式計算:

無因次截零周期計算方法為

表1 系數值表Tab.1 Coefficient numerical

4)總外力矩

艦船中縱剖面所受的總外力矩［1］為

式中:M為總外力矩;Mf為靜浮力矩;Mx為興波彎矩;MW為波浪彎矩。

1.2 計算艦船中橫剖面所能承受的極限彎矩

計算公式為

式中:σmax為合成許用應力;W'0為考慮銹蝕度的剖面模數，用下式計算:

1.3 計算總縱強度橫準數

按照下式計算總縱強度橫準數［4］:

2 疲勞強度的累積損傷度計算

2.1 計算風浪作用于船體產生的應力范圍Si

1)計算艦船非規則波中的中橫剖面誘導彎矩

2)計算考慮銹蝕度的剖面模數采用式(9)計算

3)計算中橫剖面所受應力

由中橫剖面受到的力矩和剖面模數可以計算中橫剖面受到的交變應力［5］

2.2 確定S-N曲線

S-N曲線如圖1所示，表示某一類結構節點所承受交變應力范圍與應變循環次數的關系。節點的選擇，考慮到系縱骨 (船底、舷側、甲板及內殼)與橫向強框架的連接部位 (見圖2)，本文選用F2曲線［6］。

根據F2曲線及Si(σi)值可得4種波高對應的極限次數值Ni，或者通過下式計算Ni值:

式中:m為S-N曲線斜率，取值為3。

k取值見表2。

表2 S-N曲線k值取值表Tab.2 S-N bought k short-cut process

2.3 計算每一浪高對應的實際循環次數值ni

式中:ki為艦船在某一浪高下的航行天數;T0取1 min。

2.4 計算疲勞累計率D

3 計算流程

計算流程如圖3所示。

圖3 計算流程圖Fig.3 Computation flow graph

4 計算仿真

4.1 仿真計算內容

1)艦船中橫剖面所受外力矩 (包括靜浮力矩、興波彎矩及波浪彎矩);

2)艦船中橫剖面所受極限力矩;

3)總縱強度橫準數;

4)中橫剖面所受交變應力及所能承受的交變應力極限次數;

5)所受交變應力實際次數;

6)疲勞累計率。

4.2 仿真計算輸入

1)環境參數

2)從艦船最近的《船體銹蝕報告》中摘取:

①平板龍骨 腐耗量

②船底板 腐耗量

③船側板 腐耗量

④上甲板邊板 腐耗量

⑤上甲板 腐耗量

據此推算出船中剖面模數年腐耗百分數為0.65。

3)航行經歷

①在航年數10年;

②年均:中浪 (浪高1.25～2.5 m)航行天數80 d;大浪 (浪高2.5～4.0 m)航行天數30 d;巨浪 (浪高4.0～6.0 m)航行天數20 d;狂浪 (浪高＞6.0 m)航行天數5 d。

4.3 仿真計算輸出

1)中橫剖面外力矩

靜浮力矩:

2)艦船中橫剖面所受極限力矩

3)總縱強度橫準數

4)中橫剖面所受交變應力及所能承受的交變應力極限次數

②剖面模數

選用圖2中的F2曲線得所承受的各交變應力次數分別為:N1=1 110 435，N2=404 677，N3=190 403，N4=80 326。

5)所受交變應力實際次數

由公式ni=ki×24×3 600/T0，可得所受交變應力實際次數分別為:n1=172 800，n2=86 400，n3=43 200，n4=21 600。

6)疲勞累計率

5 結語

本文所采用的船舶大風浪航行縱向強度標準采用2個橫準數進行評價，即總縱強度橫準數和疲勞累計率。為緊急情況下估算艦船的縱向總強度提供了既有一定精度又簡單易行的方法，仿真計算精度達到一般工程要求，為船舶大風浪航行風險評估提供了可靠的計算基礎。

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