客滾船車輛甲板疲勞強度評估

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(中國船級社 武漢規范研究所，武漢 430022)

承擔三峽庫區兩壩間汽車轉運的客滾船，其車輛甲板普遍發生局部裂紋或撕裂現象。在對損壞現場進行勘驗后認為，車輛甲板的這種損壞很可能由疲勞引起。這類轉運客滾船每天在兩壩間航行達到4～5個航次，上下車頻率達到480～600車次，在裝卸車過程中會使甲板結構產生較大的交變應力。因此通過進行車輛甲板的疲勞分析，來評估其抗疲勞能力十分必要。

在對當前各種疲勞分析方法進行研究后，制定出一種適用于車輛甲板疲勞強度的計算方法，該方法的特點有：①計算選用“標準疲勞車”； ②客滾船裝卸貨在港內操作，不考慮波浪載荷的影響；③疲勞累積損傷用基于S-N曲線和Palmgren-Miner線性累積損傷理論的方法計算；④采用熱點應力范圍校核，即采用與熱點應力對應的S-N曲線；⑤采用雨流法計算應力范圍。

1 確定疲勞評估方法

客滾船車輛甲板疲勞損傷是由裝卸過程中移動的車載所產生的，而目前《船體結構疲勞強度指南》[1]關于船體結構的疲勞分析是基于交變的波浪載荷，因此傳統的船體結構疲勞強度計算方法已不適用。

另一方面，雖然客滾船的車輛載荷具有車型和裝卸次數均不確定的特點，但與公路橋重車道相比，卻具有極大的相似性：①不同車型出現的概率基本相同；②疲勞均由車輛移動帶來的結構應力變化而產生；③公路橋與客滾船均為鋼質結構，可以基于相同的S-N曲線和線性累積損傷理論進行評估。因此《鋼橋疲勞設計》[2]中關于疲勞評估的基本方法同樣適用于車輛甲板疲勞分析。參照《鋼橋疲勞設計》提出了適用于客滾船的車輛甲板疲勞評估方法[3-4]。

2 確定疲勞載荷

車輛甲板疲勞設計和疲勞剩余壽命的評估中不應采用最不利情況的強度設計荷載，而應采用疲勞荷載，即車輛甲板設計基準期內實際承受的運營載荷的總和，來計算它們對車輛甲板的累積損傷。

車輛疲勞荷載應按不同車輛荷載的大小及出現次數將其全部列出，即荷載譜，或稱荷載頻值譜。為應用方便，在疲勞損傷累積等效原則下，疲勞設計和疲勞損傷評估中均采用標準疲勞車輛模型，即將各種不同車型轉換為標準模型來使用。參照《鋼橋疲勞設計》并結合內河實船營運狀況，可確定“車輛甲板標準疲勞車”，其參數見圖1。其中14 t軸負荷與《鋼質內河船舶建造規范》[5]的規定一致。

圖1 車輛甲板標準疲勞車軸重布置

按同種車型頻次保持不變的原則，從《鋼橋疲勞設計》中以標準疲勞車的“車重kw-頻次kf”參數表，可推算得到車輛甲板標準疲勞車的“車重kw-頻次kf”參數，見表1。

其中kw按14 t軸負荷換算得到。

表1 車重kw-頻次kf

3 確定計算工況

船舶強框架間距一般為1.5～2.5 m，車輪載荷的影響線一般小于2.5 m，故選取兩前軸(或兩后軸)為典型加載形式。

選取強橫梁與甲板板連接部位進行熱點應力計算，產生應力極值時車輪和熱點相對位置，即為適用的計算工況，見表2。

表2 計算工況

4 疲勞累計損傷計算

根據Palmgren-Miner線性累積損傷理論，按以下步驟評估疲勞損傷度。

1)計算標準疲勞車在熱點處產生的應力值(計算工況見表2)，并按照圖2畫出應力歷程曲線。

圖2 強橫梁與甲板連接部位熱點應力歷程曲線

2)按雨流法計算應力歷程曲線中的應力范圍S1和S2。

3)累積疲勞損傷度D按下述公式進行計算。

(1)

m——S-N曲線E曲線的反斜率，一般取3；

K——S-N曲線E曲線參數，取1.026×1012；

N——年裝卸頻次。

4) 結構在設計壽命期間內的累積損傷度D應滿足D≤1.0的要求。

5 實例分析

5.1 選取的典型客滾船車輛甲板主要構件尺寸

選取的典型客滾船車輛甲板的主要構件尺寸如下(按32車計算)。

強構件間距 1 500 mm

縱骨間距 345 mm

載車甲板厚度 8.0 mm

船底板厚度 8.0 mm

甲板縱骨 ∟90×56×8

船底龍骨 ⊥5×350/8×80

船底縱骨 ∟75×50×6

實肋板 ⊥5×350/8×80

甲板縱桁 ⊥6×350/10×100

5.2 計算模型

縱向取一個艙室的范圍，橫向取中縱艙壁至內舷縱艙壁的范圍，垂向取整個型深范圍。模型中甲板、船底板用殼單元模擬，實肋板、縱桁及龍骨腹板用殼單元模擬，面板用梁單元模擬，縱骨用梁單元模擬，支柱和撐材用桿單元模擬。網格大小取300×500，精細網格大小取10×10。模型總圖見圖3。

圖3 計算模型

5.3 邊界條件

在模型范圍內的橫艙壁和縱艙壁處采用簡支約束。

5.4 應力范圍和壽命計算

在熱點附近受力構件的表面上選取4個有限元單元，插值點處的最大主應力σ應根據所選有限元單元中心處的最大主應力用拉格朗日插值法求得，計算結果見表3，應力歷程曲線見圖4。

表3 熱點應力計算結果

圖4 應力歷程曲線

根據上述方法計算應力范圍和壽命。

S1=110.08，S2=110.08-12.03=98.05。載車數為32車，假設平均日裝卸4次，則年裝卸頻次為42 240次，代入累計損傷度計算公式：

0.192 57×(110.083+98.053)×

66×42 240/1.026×1012=1.19

即假設年裝卸頻次為42 240次，該典型客滾船的車輛甲板疲勞強度不能滿足要求，疲勞壽命約為27.7年。

6 結論

1)客滾船車輛甲板的疲勞強度值得關注，強度不足時可能產生裂紋或撕裂，如川江轉運客滾船。

2)提高疲勞強度的最有效的方法是降低其應力范圍，對于客滾船來說即降低應力歷程中最大應力值。加大車輛甲板板厚，減小縱骨間距，可較大程度降低該值。

3)檢驗方應加強與跳板結構相連的首部甲板結構的檢驗，發現損傷及時修復或加強，避免損傷擴展。

[1] 中國船級社.船體結構疲勞強度指南[S].北京:人民交通出版社, 2007.

[2] 錢冬生.鋼橋疲勞設計[M].成都:西南交通大學出版社,1986.

[3] 詹志鵠，夏鴻祿.船舶縱向構件疲勞評估的熱點應力方法[J].船海工程，2007,36(4):15-19.

[4] 王然章.采用簡化方法的船體結構疲勞強度校核[J].中國造船，1999 (2):59-68.

[5] 中國船級社.鋼質內河船舶建造規范[S].北京:人民交通出版社, 2009.