船舶疲勞強度評估等效設(shè)計波法研究

劉 亮，任慧龍，馮國慶

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶與海洋工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

船舶疲勞強度評估等效設(shè)計波法研究

劉 亮，任慧龍，馮國慶

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶與海洋工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

在現(xiàn)有船舶疲勞強度評估設(shè)計波法基礎(chǔ)上，對設(shè)計波的選取和應(yīng)力范圍的計算部分進(jìn)行改進(jìn)。提出一種更能全面考慮船舶載荷狀態(tài)的設(shè)計波選取方法，同時定義一種更為準(zhǔn)確的應(yīng)力范圍選取方法。以1艘散貨船為例，根據(jù)篩選的設(shè)計波，進(jìn)行疲勞損傷的計算，比較本文提出的改進(jìn)的設(shè)計波法和原有譜分析法得到的疲勞壽命值，驗證本文提出方法的可行性和優(yōu)越性。

設(shè)計波；控制載荷；疲勞損傷

0 引 言

船舶疲勞強度評估的譜分析方法由于思路明確，理論清晰，能夠反映結(jié)構(gòu)自身特點等原因，是一種比較成熟的計算方法。但譜分析方法由于工作量大、計算時間長等問題導(dǎo)致計算效率并不高，所以對疲勞設(shè)計波法進(jìn)行研究，通過某一超越概率水平下的長期值以及各種載荷工況的選取反映海況的影響，通過有限元計算反映結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，以解決上述存在的問題，具有重要的工程意義。

對疲勞強度評估的設(shè)計波法研究很多。最初，研究者均以單一的垂向彎矩作為控制載荷，確定設(shè)計波參數(shù)。J.Xue，A.Pittaluga等[1]提出以垂向彎矩配合水平彎矩作為目標(biāo)值選取載荷工況，同時考慮水動壓力以及艙室加速度產(chǎn)生的慣性力等局部載荷。Espen H.Cramer等[2]指出應(yīng)力范圍的分布可由某一載荷狀態(tài)下的應(yīng)力范圍間接得到，同時也指出除了考慮由垂向波浪彎矩產(chǎn)生的船體梁總縱彎曲應(yīng)力，還應(yīng)考慮內(nèi)部以及外部載荷產(chǎn)生的局部應(yīng)力。葛菲、戴仰山[3]提出載荷循環(huán)次數(shù)相同下的等效疲勞損傷的設(shè)計波法。在此原則下，劉冬平[4]對非線性波浪載荷作用下疲勞損傷計算的設(shè)計波法進(jìn)行了研究。但其以譜分析計算的應(yīng)力范圍為目標(biāo)值，雖然得出了令人滿意的結(jié)果，但工作量較普分析法計算量增加很多，而且在已經(jīng)進(jìn)行譜分析的基礎(chǔ)上沒有必要再進(jìn)行設(shè)計波的計算。而且在確定設(shè)計波參數(shù)時，只選取船垂向彎矩作為控制載荷。馮國慶[5]也在單一載荷作為控制載荷的基礎(chǔ)上提出了垂向彎矩和水平彎矩聯(lián)合作用下的疲勞設(shè)計波法，并基于1艘滾裝船，對設(shè)計波法計算結(jié)果與簡化方法進(jìn)行比較，對于外底和外殼板等典型位置計算結(jié)果相吻合，對于其他位置有明顯差別。并在其博士論文[6]中指出，由于設(shè)計者對控制載荷的主觀選取不同，對設(shè)計波法產(chǎn)生的結(jié)果具有很大差別。孫昊[7]根據(jù)等效應(yīng)力范圍的原則，提出了多載荷控制參數(shù)下的疲勞損傷計算方法，通過多艘船計算，對不同設(shè)計波下計算的應(yīng)力范圍通過系數(shù)擬合疊加得到與譜分析相同的結(jié)果，得到較好的結(jié)果，但是存在樣本船較少，船型單一等問題。

綜上所述，雖然眾多學(xué)者提出了許多計算方法，但是各個方法在設(shè)計波選取、應(yīng)力范圍的計算等方面存在很大不同，計算結(jié)果與譜分析結(jié)果以及簡化方法有一定差別。

本文對疲勞強度評估設(shè)計波法設(shè)計波的選取、應(yīng)力范圍的計算等方面進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新的疲勞設(shè)計波法。對各個控制參數(shù)進(jìn)行長短期分析，通過動態(tài)載荷法確定設(shè)計波的參數(shù)，通過有限元計算應(yīng)力等方式，篩選出具有相同作用效果的設(shè)計波。同時基于篩選后的設(shè)計波確定一種新的應(yīng)力范圍的計算方法，在原有設(shè)計波法的基礎(chǔ)上，形成了一套新的基于設(shè)計波的疲勞強度評估方法。通過篩選的方式確定了所選取的設(shè)計波，消除了不同強度校核人員對設(shè)計波選取時主觀上的不同，減輕工作量。

1 疲勞評估的設(shè)計波法

1.1 載荷工況的確定

隨著民船規(guī)范的發(fā)展，新的散貨船、油船協(xié)調(diào)共同規(guī)范已經(jīng)頒布并對疲勞評估的方法作了詳細(xì)的規(guī)定[8]。選取載荷長期值概率水平為10-2時的設(shè)計波，因為10-2對總損傷的貢獻(xiàn)更大，此時形狀參數(shù)從0.8～1.2時，疲勞損傷的變化最小[9]。

本文基于北大西洋海況，對選取10-2作為載荷長期值的概率水平，選取如表1所示設(shè)計波進(jìn)行研究。對每個設(shè)計波選取中拱、中垂2種工況，對于橫浪和斜浪時考慮左右舷來浪時的情況。

表1 選取的設(shè)計波

Tab.1 Design waves for selecting

設(shè)計波名稱描 述HSM迎浪時船中垂向波浪彎矩達(dá)到最小或最大值時的等效設(shè)計波FSM隨浪時船中部的垂向波浪彎矩達(dá)到最小或最大值時的等效設(shè)計波BSR橫浪時船橫搖運動達(dá)到最小或最大值時的等效設(shè)計波BSP橫浪時船中水線處水動壓力達(dá)到最小或最大時的等效設(shè)計波OST斜浪時船在0.25L處的扭矩達(dá)到最小或最大時的等效設(shè)計波HSA迎浪時首柱處加速度達(dá)到最小或最大值時的等效設(shè)計波OSA斜浪時船舶縱搖運動達(dá)到最小或最大時的等效設(shè)計波HSF迎浪時船中垂向彎矩達(dá)到最小或最大值時的等效設(shè)計波BSH橫浪時水平彎矩達(dá)到最小或最大時的等效設(shè)計波

式中：A為該控制參數(shù)在計算航速、計算波長λ和計算航向角α下算得的幅頻響應(yīng)。

通過動態(tài)載荷法確定的設(shè)計波如表2所示。從表2可看出，設(shè)計波HSM，HSF，HAS確定的設(shè)計波參數(shù)以及BSR，BSP，BSH確定的設(shè)計波參數(shù)相差不大。通過有限元計算，對于設(shè)計波參數(shù)類似的工況，對不同熱點位置與計算熱點應(yīng)力相關(guān)的單元的應(yīng)力差別很小，如表3為BSP和BSR設(shè)計波作用下右舷來波中垂?fàn)顟B(tài)的應(yīng)力結(jié)果。所以設(shè)計波選取FSM，HSM，OST，BSR作為設(shè)計載荷，考慮中拱、中垂以及斜浪和橫浪時的左右舷來波狀態(tài)。

表2 設(shè)計波參數(shù)

注：對于斜浪和橫浪右舷來波時浪向為300°和270°。

表3 應(yīng)力比較

1.2 疲勞損傷的計算

1.2.1 應(yīng)力范圍的長期分布

應(yīng)力范圍的長期分布服從雙參數(shù)的Weibull分布，其形式如下式所示：

(1)

Weibull形狀參數(shù)跟船型參數(shù)、海況環(huán)境等眾多因素有關(guān)，精確結(jié)果可通過長期分析結(jié)果進(jìn)行擬合得到，作為簡化做法，民船可取為1.0[8-9]，對于軍船可選用如下簡化公式：

h=1.1127-0.2113(L-100)/200。

(2)

得到形狀參數(shù)后，尺度參數(shù)可由10-2概率水平下的載荷長期值經(jīng)過有限元直接計算得到的應(yīng)力范圍表示，由超越概率的定義得：

P(S>SL)= 1-P(S≤SL)=

(3)

由式(3)得到：

(4)

1.2.2 應(yīng)力范圍計算

應(yīng)力范圍SL采用下式進(jìn)行計算：

SL=maxi(SLi)。

(5)

其中SLi為第i個設(shè)計波對應(yīng)的應(yīng)力范圍。

每個設(shè)計波對應(yīng)的應(yīng)力范圍為應(yīng)于每個設(shè)計波中拱、中垂時的應(yīng)力計算值差值的絕對值，如下計算：

1.2.3 疲勞損傷的計算

對于軍船計算疲勞損傷時可以只考慮巡航狀態(tài)時的計算結(jié)果，所以得到應(yīng)力范圍后應(yīng)力長期分布就可以得到，可以得到疲勞損傷的計算公式：

(6)

式中：A和m為S-N曲線的2個參數(shù)；Nd為船舶壽命期內(nèi)可能經(jīng)歷的載荷循環(huán)總次數(shù)；Γ為伽瑪函數(shù)；N為裝載模式數(shù)量，對于軍船來說可只取巡航工況；pi為每個裝載模式對應(yīng)的出現(xiàn)概率。

2 應(yīng)用研究

選取某一散貨船，針對某一裝載模式，分別進(jìn)行譜分析法和文章提出的設(shè)計波法計算疲勞損傷。

2.1 設(shè)計波參數(shù)的確定

對控制載荷進(jìn)行長短期分析，采用動態(tài)載荷法確定設(shè)計波參數(shù)(見表2)。

2.2 有限元模型載荷的施加以及應(yīng)力的提取

波浪作用下的船舶受到2對平衡力，即重力和浮力，以及波浪壓力和全船慣性力，對于局部艙室還存在靜壓力以及波浪作用下的動壓力等局部載荷。

海水靜壓力以及艙室靜壓力ps(單位為Pa)采用下式進(jìn)行計算：

ps=ρgh。

(7)

式中：ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，9.81m/s2；h為計算位置到液面的豎直距離，m。

通過編制接口程序?qū)崿F(xiàn)波浪壓力與有限元軟件Patran的接口并進(jìn)行加載。

艙室波浪動壓力采用下式進(jìn)行計算：

pld=ρ[ax(x0-x)+ay(y0-y)+az(z0-z)]。

(8)

式中：ρ為艙室貨物密度，kg/m3；ax為載荷程序計算的x方向的加速度，m/s2；ay為載荷程序計算的y方向的加速度，m/s2；az為載荷程序計算的z方向的加速度，m/s2；x0，y0，z0為艙室參考點的x，y，z三個方向的坐標(biāo)，m。

基于施加的載荷以及選擇的工況，根據(jù)pcl語言編寫載荷施加程序，實現(xiàn)所有工況下載荷的自動施加以及工況的自動生成。并編寫相應(yīng)的應(yīng)力提取程序，實現(xiàn)應(yīng)力的自動提取，生成用于疲勞損傷計算的應(yīng)力文件。迎浪中拱時中間艙的應(yīng)力狀態(tài)如圖1所示。

圖1 迎浪中拱應(yīng)力云圖Fig.1 Stress plot in hog state when heading sea

2.3 疲勞損傷計算

基于上一部分疲勞損傷計算方法，編寫Fortran計算程序，讀取2.2小節(jié)中生成的應(yīng)力文件，計算疲勞損傷值。針對某一裝載模式下的損傷值以及與譜分析計算結(jié)果的比較如表4所示。熱點位置分別為舷側(cè)肋骨下趾端、底邊艙上下折角、甲板上艙口圍板肘板趾端。

表4 疲勞壽命計算結(jié)果

通過計算結(jié)果可知，本文提出的設(shè)計波法計算結(jié)果在舷側(cè)肋骨趾端、底邊艙上下折角位置計算結(jié)果接近，其中舷側(cè)趾端位置以及底邊艙上折角位置最為接近，但是艙口圍板肘板趾端位置的計算結(jié)果由很大差別。除艙口圍板肘板趾端以外，對于熱點壽命結(jié)果，2種方法有相同的是否滿足壽命要求的結(jié)論。

3 結(jié) 語

通過對疲勞評估方法的研究，針對疲勞評估設(shè)計波法存在的問題進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

1)通過對船舶疲勞損傷的計算方法研究，對設(shè)計波法進(jìn)行改進(jìn)，并通過計算以及與譜分析方法的比較，得到了比較合理的結(jié)果。

2)通過對設(shè)計波的選取以及應(yīng)力范圍計算方法的重新定義，消除了設(shè)計波選取時主觀因素的影響，在保證結(jié)果合理性的前提下大大縮減了計算時間。

3)通過波浪載荷計算軟件Walcs、有限元軟件Patran、pcl語言、批處理文件以及Fortran語言實現(xiàn)了載荷的自動施加以及損傷的快速計算，并消除了載荷施加工程中人為因素產(chǎn)生的問題。

[1] XUE J,PITTALUGA A,CERVETTO D.Fatigue damage calculation for oil tanker and containership structures[J].Marine Structures,1999.

[2] CRAMER E H，LOSETH R.Kjell olaisen[J].Marine Structures,2002.

[3] 葛菲，戴仰山.在非線性波浪載荷作用下計及多種應(yīng)力成分組合時船體結(jié)構(gòu)總縱強度累計損傷計算[J].船舶力學(xué)，2005,9(1):71-78.

GE Fei,DAI Yang-shan.Accumulated damage calculation for ship hull of overall longitudinal bending including combined stress and nonlinear wave loads[J].Journal of Ship Mechanics,2005,9(1):71-78.

[4] 劉東平.船體結(jié)構(gòu)疲勞強度評估非線性設(shè)計波法[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

LIU Dong-ping.Nonlinear design wave approach for the fatigue assessment of hull structure[D].Harbin:Harbin Engineering University,2012.

[5] 李依陽.船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度評估的設(shè)計波法[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

LI Yi-yang.Design load approach for the fatigue assessment of ship structures[D].Harbin：Harbin Engineering University,2010.

[6] 馮國慶.船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度評估方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2006.

FENG Guo qing.Research on fatigue strength assessment method of ship structures[D].Harbin：Harbin Engineering University,2006.

[7] 孫昊.散貨船結(jié)構(gòu)疲勞評估的設(shè)計波法[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

SUN Hao.Design wave approach for the fatigue assessment of Bulk Carrier structures[D].Harbin：Harbin Engineering University,2011.

[8] Common structural rules for bulk carriers and oil tankers[S].IACS.2012.

[9] Technology background[M]. IACS.2012.

Research on the equivalent design wave approach for fatigue assessment of ocean structures

LIU Liang,REN Hui-long,FENG Guo-qing

(Institute of Naval Architecture and Ocean Engineering Mechanics, Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

A new approach for selection of equivalent design wave(EDW) and calculation of stress range is brought forward based on the existed design load approach for fatigue assessment. A new method of confirming EDWs is put forward, which could cover all the load cases ship structures suffer and a new and precise method of calculating stress range follows. The fatigue damage of a BC is got based on the selected EDWs. The feasibility and advantage of the method is confirmed by the comparision of the fatigue life to the spectrum analysis.

EDW;dominant load;fatigue damage

2013-07-15；

2013-08-30

劉亮(1989-)，男，碩士研究生，主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物環(huán)境載荷與結(jié)構(gòu)強度的研究。

U661.4

A

1672-7649(2014)07-0033-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.07.007