HCSR規(guī)范疲勞篩選方法研究

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(1. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶與海洋工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150001；2.中國(guó)船級(jí)社，北京 100007)

國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)決定在CSR-BC[1], CSR-OT[2]的基礎(chǔ)上研發(fā)協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范[3](HCSR)。HCSR[4]規(guī)范中規(guī)定的疲勞評(píng)估關(guān)鍵點(diǎn)分為三類：①?gòu)?qiáng)制評(píng)估部位；②如未滿足規(guī)范提供的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行疲勞評(píng)估的部位；③需要通過(guò)疲勞篩選方法判定是否需要進(jìn)行疲勞評(píng)估的節(jié)點(diǎn)。而疲勞篩選方法是一種基于50 mm×50 mm網(wǎng)格全新計(jì)算疲勞壽命的方法，目前鮮有人研究。該方法不僅能夠提高有限元熱點(diǎn)疲勞壽命計(jì)算的效率，并且也提出了一種計(jì)算疲勞壽命的新思路。

選取一型油船(滿載和壓載)模型，一型散貨船的輕貨艙(345艙)和重貨艙(456艙)模型(均勻裝載，隔艙裝載，重壓載，正常壓載)，分別對(duì)HCSR規(guī)范指定疲勞篩選熱點(diǎn)進(jìn)行t×t和50 mm×50 mm的網(wǎng)格細(xì)化，通過(guò)MSC.Patran有限元軟件進(jìn)行載荷工況加載計(jì)算。

熱點(diǎn)位置和類型見表1，應(yīng)力放大因子η通過(guò)下式求得。

(1)

式中:σt×t-mesh——t×t有限元模型得到的表面應(yīng)力；

σ50×50-mesh——50 mm×50 mm有限元模型得到的中面應(yīng)力。

表1 HCSR規(guī)范疲勞篩選位置

1 熱點(diǎn)疲勞壽命計(jì)算方法簡(jiǎn)介

在計(jì)算應(yīng)力放大因子η的過(guò)程中，需根據(jù)HCSR規(guī)范熱點(diǎn)計(jì)算方法和疲勞篩選計(jì)算方法編制Excel從而得到σt×t-mesh和σ50×50-mesh，圖1、2為HCSR規(guī)范插值示意圖，并對(duì)這兩種計(jì)算方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，圖1,2參考單元為圖中1,2,3,4單元，圖1,2應(yīng)力閱讀點(diǎn)方向?yàn)閥軸，其中圖1大小為單元y值的一半，圖2為圖中畫圈位置。

圖1 HCSR規(guī)范焊趾插值示意

圖2 HCSR規(guī)范十字接頭插值示意

1.1 熱點(diǎn)應(yīng)力法

1.1.1 焊趾疲勞壽命計(jì)算方法

油船校核節(jié)點(diǎn)——水平桁趾端和強(qiáng)框架肘板趾端采用焊趾(4節(jié)點(diǎn))的熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算方法計(jì)算疲勞壽命，具體方法如下。

1)建立局部坐標(biāo)系如圖1，分別提取1,2單元在中拱、中垂下的表面應(yīng)力(σx,σy,τ)，將相減得到Δσx,Δσy,Δτ外插至y=0處，得到Δσx(t/2),Δσy(t/2),Δτ(t/2)。

2)將Δσx(t/2),Δσy(t/2),Δτ(t/2)三種應(yīng)力成分合成主應(yīng)力，取與焊縫垂直方向45°范圍內(nèi)和45°范圍外的主應(yīng)力ΔσFS1,ΔσFS2，ΔσFS=max(ΔσFS1，ΔσFS2)，繼而求得熱點(diǎn)應(yīng)力ΔσHS=1.12·ΔσFS。

3)對(duì)于3,4單元重復(fù)上述步驟(步驟1至2)，與1,2單元的結(jié)果相比較，取大者。

4)對(duì)于1,2單元在中拱、中垂下的表面應(yīng)力(σx,σy,τ)各自相加除2，得到σx(mean),σy(mean),τ(mean)并按照步驟2,3處理。

5)計(jì)入平均應(yīng)力系數(shù)得到fmean，計(jì)入厚度修正得到fthick。

6)分別將所求的熱點(diǎn)應(yīng)力范圍轉(zhuǎn)化成疲勞應(yīng)力范圍，ΔσHS為45°范圍內(nèi)主應(yīng)力可按下式計(jì)算，45°范圍外需乘以0.9作為S-N曲線轉(zhuǎn)換的修正：

ΔσFS=0.95·fmean·fthick·ΔσHS

7)取每個(gè)裝載模式下不同設(shè)計(jì)波對(duì)應(yīng)的疲勞應(yīng)力范圍的最大值。

8)計(jì)算在空氣中和腐蝕環(huán)境下，各個(gè)裝載模式的疲勞損傷，總損傷及疲勞壽命。

1.1.2 十字接頭疲勞壽命計(jì)算方法

散貨船校核節(jié)點(diǎn)——底邊艙下折角、底凳與內(nèi)底連接處折角(90°和大于90°)采用十字接頭(4節(jié)點(diǎn))的熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算方法計(jì)算疲勞壽命，具體方法如下。

1)建立局部坐標(biāo)系，提取1,2,3,4單元的膜應(yīng)力σmx,σmy,τm，相減得到Δσmx,Δσmy,Δτm。

2)將1,2單元和3,4單元的Δσmx,Δσmy,Δτm分別求平均值，得到t/2和3t/2處的Δσmx,Δσmy,Δτm，再線性內(nèi)插到xshift=t/2+xwt，得到Δσmx(shift),Δσmy(shift),Δτm(shift)。

3)提取1,2,3,4單元的彎曲應(yīng)力σbx,σby,τb，按照步驟1,2得到Δσbx(shift),Δσby(shift),Δτb(shift)。

4)根據(jù)公式

Δσshift=(Δσm(shift)+Δσb(shift)·0.6)·β

(2)

得到Δσx(shift),Δσy(shift),Δτ(shift)，β為關(guān)于折角角度的系數(shù)。將Δσx(shift),Δσy(shift),Δτ(shift)合成主應(yīng)力，剩余步驟與焊趾合成主應(yīng)力后的步驟一樣。

1.2 疲勞篩選方法

建立局部坐標(biāo)系如圖2，提取1,2,3,4單元的膜應(yīng)力σmx,σmy,τm，相減得到膜應(yīng)力范圍Δσmx,Δσmy,Δτm，求得膜應(yīng)力范圍四個(gè)單元的均值，利用均值合成主應(yīng)力，剩余步驟與焊趾合成主應(yīng)力后的步驟一樣，插值見圖3，途中標(biāo)志請(qǐng)參考圖1。

圖3 HCSR規(guī)范篩選插值示意

2 實(shí)船計(jì)算結(jié)果

2.1 實(shí)船基本信息

目標(biāo)船的基本信息見表2。

表2 目標(biāo)船基本信息

2.2 實(shí)船計(jì)算結(jié)果

限于篇幅的限制，只給出散貨船和油船各一個(gè)熱點(diǎn)的詳細(xì)結(jié)果，有限元細(xì)化見圖4、5、6、7。

圖4 油船t×t網(wǎng)格細(xì)化示意

圖5 油船50 mm×50 mm網(wǎng)格細(xì)化示意

圖6 散貨船t×t網(wǎng)格細(xì)化示意

圖7 散貨船50 mm×50 mm網(wǎng)格細(xì)化示意

2.2.1 油船水平桁趾端η計(jì)算結(jié)果

篩選過(guò)程詳細(xì)結(jié)果見表3。

表3 水平桁趾端計(jì)算結(jié)果

2.2.2 散貨船輕貨艙底邊艙下折角η計(jì)算結(jié)果

篩選過(guò)程詳細(xì)結(jié)果見表4。

2.2.3 結(jié)果統(tǒng)計(jì)。所有熱點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

2.2.4 應(yīng)力放大因子驗(yàn)證。選取目標(biāo)船2的輕貨艙中底凳與內(nèi)底連接處90°折角(與上述節(jié)點(diǎn)相差3個(gè)強(qiáng)框架位置)，運(yùn)用3.2.3中計(jì)算所得的應(yīng)力放大因子1.661 2，計(jì)算疲勞壽命，并且比較兩種方法計(jì)算出來(lái)的疲勞壽命，見表6。

從表6中，可以看出由篩選方法計(jì)算出來(lái)的疲勞壽命略小于由熱點(diǎn)應(yīng)力法計(jì)算出的疲勞壽命，各個(gè)裝載模式的應(yīng)力大小趨勢(shì)相近。該方法可以較好地對(duì)有限元熱點(diǎn)位置進(jìn)行疲勞評(píng)估。

表4 輕貨艙底邊艙下折角計(jì)算結(jié)果

表5 實(shí)船計(jì)算結(jié)果

表6 實(shí)船底凳-內(nèi)底板(90°)驗(yàn)證結(jié)果

3 結(jié)論

1)對(duì)于油船，建議桁材趾端的應(yīng)力放大因子取為1.97，強(qiáng)框架肘板趾端的應(yīng)力放大因子取為1.49。

2)對(duì)于散貨船輕貨艙，建議底邊艙下折角的應(yīng)力放大因子取為2.00，底凳-內(nèi)底板(對(duì)于折角角度為90°)的應(yīng)力放大因子取為1.66，底凳-內(nèi)底板(對(duì)于折角角度大于90°)的應(yīng)力放大因子取為1.42。

3)對(duì)于散貨船重貨艙，建議底邊艙下折角的應(yīng)力放大因子取為2.28，底凳-內(nèi)底板(對(duì)于折角角度為90°)的應(yīng)力放大因子取為1.80，底凳-內(nèi)底板(對(duì)于折角角度大于90°)的應(yīng)力放大因子取為1.50。

4)疲勞篩選方法可以提高有限元熱點(diǎn)疲勞壽命計(jì)算的效率并保證精度。

[1] IACS.Common structural rules for bulk carriers[S].International Association of Classification Society,IACS,2006.

[2] IACS.Common structural rules for double hull oil tankers [S].International Association of Classification Society,IACS,2006.

[3] IACS.Common structural rules for bulk carriers and oil tankers [S].International Association of Classification Society,IACS,2013.

[4] 王 剛，張道坤.IMO GBS要求下的油船散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范[C]∥紀(jì)念徐秉漢院士船舶和海洋構(gòu)造力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,北京：中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)，2011:430-436.