三體船疲勞損傷影響因素研究

張球球+陳超核

（華南理工大學，廣州 510641）

摘 要：本文首先針對一艘航行于我國南海海域的三體船，建立全船有限元模型，并獲得全船有限元應力，確定疲勞熱點；進而利用所得的熱點應力結合DNV規范，對影響三體船疲勞累積損傷的波浪載荷因素進行了研究。

關鍵詞：三體船；疲勞熱點；熱點應力；波浪載荷因素

中圖分類號：U661.4 文獻標識碼：A

1 引言

近年來，國內外掀起了一股三體船研究熱。作為一種具有出色耐波性、穩定性、快速性的船型，國內外很多學者對其水動力特性進行了研究，但是在結構設計和強度評估方面的研究工作還相對落后，相關文獻也比較少，加之三體船片體與連接橋的存在使載荷計算較為復雜，因此外載荷的準確估算較難，從而使得三體船的疲勞研究難度加大。

本文參考LR規范對某三體船進行全船的強度分析，在其連接橋處確定數個疲勞熱點，利用譜分析方法對這些熱點進行疲勞評估計算，并在此基礎上對影響三體船疲勞累積損傷計算的因素進行研究。

2 疲勞損傷計算

本文所考察的三體船船長90 m、型寬24.56 m、型深11.7 m、設計吃水4 m，設計壽命為20年，其片體設置在主船體的尾部。有限元模型包括主體、片體、連接橋和上層建筑的主要結構，以及甲板板架、船底板架、舷側板架、艙壁板架及主要框架和支柱。

2.1 船體載荷計算、整體強度分析及疲勞熱點位置確定

在全船有限元模型的基礎上，根據勞氏船級社的三體船規范相關規定，對該船進行加載并對其進行全船總強度計算分析。

依據分析結果，一共選取了連接橋處應力集中較為嚴重的五個節點進行疲勞評估計算：

（1）船尾處連接橋與側體連接的根部位置，也就是連接橋尾部濕甲板與片體相連的位置；

（2）船尾處連接橋與主船體連接的根部位置，也就是連接橋尾部濕甲板與主船體的相交位置；

（3）距船尾6 m處，即船尾第一道橫艙壁處，連接橋與主船體連接的根部位置；

（4）距船尾36 m處連接橋與主船體連接的根部位置；

（5）距船尾43 m處連接橋與主船體連接的根部位置，這一位置已經在連接橋首端附近。

獲得疲勞評估的熱點以后，為了能夠更準確的反映熱點位置附近區域應力梯度的變化，根據DNV和CCS的規范，對這些區域網格進行細化。

2.2 疲勞損傷計算

根據DNV的規范對波浪載荷進行直接計算，航向角范圍取0～330°，共12個浪向，各浪向按等概率出現；規則波的圓頻率范圍取0.2～2 rad/s，間隔取0.05 rad/s。

利用中國船級社和哈爾濱工程大學聯合開發的Compass-Walcs-Basic軟件，依據已確定好的波浪載荷計算參數獲得船體在各頻率規則波中的運動響應和水動壓力分布情況；然后將所得到的三體船船體水動壓力及其他慣性力，根據不同的浪向以及圓頻率分別施加到船體的有限元模型當中，得到熱點周圍區域在對應的航向角及對應的圓頻率下熱點應力的傳遞函數。

本文采用JONSWAP譜對該船進行疲勞評估，按下式計算疲勞累積損傷度：

（1）

式中：Td 為船舶的設計疲勞壽命；

ā和m 為所用S-N曲線的兩個參數；

Nload 為所考慮的裝載狀態的總數；

Pn 為第n個裝載狀態所占設計時間的比例；

Γ（1+m/2） 為伽瑪函數；

nS為海況分布資料中的海況總數；

nH為劃分的航向總數；

pi 為第個海況出現的概率；

pj 為第j個航向出現的頻率；

，為第n個裝載及海況i和航向j下，應力交變響應平均過零率；

m0ij為應力譜的0階譜距；

m2y為應力譜的2階譜距。

3 三體船疲勞損傷計算影響因素

根據疲勞損傷線性累積法則，總的疲勞應力參數可由各短期海況的疲勞應力參數線性疊加而得。本文將主要分析和研究航行海域、季節、浪向、跨零周期等對三體船疲勞累積損傷計算的影響。

3.1 航行海域對疲勞損傷的影響

根據上面所提到的思路和參數，計算S1到S10 區域對應熱點疲勞累積損傷度如表1所示，并將數據繪制成圖1。

3.2 季節對疲勞損傷的影響

在計算各海域對應熱點的疲勞累積損傷時，采用的計算資料為方鐘圣西北太平洋波浪統計集[6]中的全年所有浪向波浪統計資料，各浪向出現概率均等。然而，對應海域在不同季節實際波浪統計資料有所不同，并且各浪向出現概率并非均等。本文以S7海域春、夏、秋、冬四季及全年波浪統計數據為計算資料，得出對應熱點的疲勞累積損傷度，如表2所示。

3.3 浪向對疲勞損傷的影響

在計算S7海域對應熱點的疲勞累積損傷時，各浪向出現的概率均等。然而，S7海域實際海況統計資料顯示，各浪向出現的概率并非均等。根據方鐘圣西北太平洋波浪統計集中S7海域全年波浪統計資料，將統計資料中的各浪向所占比例（如表3）作為計算疲勞累積損傷時各浪向的出現概率，計算結果如表4 。

3.4 跨零周期不確定性對疲勞損傷的影響

通過改變計算波浪譜的跨零周期，得出對應跨零周期下的疲勞累積損傷度。跨零周期的變化同樣將西北太平洋波浪譜統計集獲得的跨零周期定義為Tz，分別以0.05倍Tz為間距遞增及以0.05倍的Tz為間距遞減，得出熱點3對應的疲勞累積損傷度，將所得數據繪制成圖2。

4 結論

本文針對某一航行于我國南海海域的三體船，采用譜分析方法對該船進行了疲勞累積損傷分析，計算該船在不同海域、季節、浪向、波高及跨零周期條件下的疲勞累積損傷度，并得出以下結論：

（1）對三體船按規范進行加載，獲得全船有限元應力，發現船體結構中，連接橋與主船體及片體相連接處容易產生應力集中，在分析三體船疲勞壽命時要重點考慮 ；

（2）海域不同、波浪參數及分布不同，計算所得的三體船疲勞累積損傷度也不同。S7海域對于三體船而言為疲勞累積損傷最嚴重海域，S2和S8海域為疲勞累積損傷較輕海域，其它海域疲勞累積損傷相差不大，故三體船在航行航線設計時，應盡量規避S7海域，更多的考慮S2和S8海域；

（3）季節不同，波浪參數及分布也不同，四季中春、夏兩季疲勞累積損傷相對于秋、冬兩季較小，冬季疲勞累積損傷最大，因此三體船應盡量減少冬季出航；

（4）在計算三體船疲勞累積損傷時，各浪向按等概率出現計算所得結果偏大，設計偏保守；

（5）三體船疲勞損傷隨著有義波高的增大而增大，在 S1、S4、S6、S7海域疲勞累積損傷隨著跨零周期的增大而減小，S2、S3、S5、S8、S9、S10海域疲勞累積損傷隨著跨零周期的增大先增大后減小。

參考文獻

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[5] 船體結構疲勞強度指南[S]. 中國船級社上海規范研究所，2007.

[6] 方鐘圣，金承儀，繆泉明. 西北太平洋波浪統計集 [M]. 國防工業出版社，1996.

[7] 文圣常，陳伯海，張大錯，王偉，郭佩芳，臺偉濤. 改進的理論風浪頻譜[J]. 海洋學報，1990，12（3）.