PLUS船級符號的穿梭油輪疲勞強度分析

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(中遠海運重工有限公司,遼寧 大連 116600)

PLUS是DNVGL(挪威船級社)關于結構細節(jié)疲勞強度的一個附加船級符號。該符號主要用于在惡劣海域航行，常規(guī)設計的油船、液化氣船和集裝箱船，其他船型也可使用。這些船一般都滿足CSR或NAUTICUS(Newbuilding)要求。PLUS需要對CSR或NAUTICUS(Newbuilding)要求以外的指定結構細節(jié)進行有限元疲勞強度校核，DNVGL船級社專門針對此船級符號出版了指導規(guī)范，即“CN34.2 Plus-extended fatigue analysis of ship details”[1]。考慮結合該規(guī)范，總結PLUS疲勞校核的流程，分析PLUS船級符號在穿梭油輪上的應用及對其結構設計和疲勞強度的影響。

1 校核范圍

PLUS疲勞強度校核覆蓋整個貨艙區(qū)域，包括艏貨艙、中貨艙、艉貨艙，見圖1。穿梭油船裝卸周期為1～2周，遠小于常規(guī)油船的1～2月。因此，裝卸貨時的重復靜載荷引起的高應力低周疲勞也需要進行校核，它可能在動應力較低的情況下導致熱點產(chǎn)生裂紋。高周和低周疲勞需要校核的具體節(jié)點形式和位置要求分別見表1、2。

根據(jù)規(guī)范[2]要求，如果結構細節(jié)同時滿足PLUS和CSA船級符號時，需根據(jù)CSA要求校核其疲勞強度，對于CSA范圍以外需滿足PLUS要求的結構，需要根據(jù)規(guī)范對其進行疲勞強度校核，例如雙底和雙殼的所有縱骨與強框的連接，包括腹板加強筋、穿越孔和補板，見圖2。其他結構細節(jié)根據(jù)CN30.7[3]規(guī)范進行校核。

表1 高周疲勞校核范圍

注：1)一般來講，所有雙殼和雙底縱骨和強框的連接都需要校核，除了該指定位置進行直接計算外，其他位置通過篩選的方法進行校核。

表2 低周疲勞校核范圍

注：1)對強框腹板加強筋，具有大跨距，采用大規(guī)格縱骨比較危險；對穿越孔和補板，強框的高剪應力區(qū)和沒有腹板加強筋的位置比較危險。

2 強度校核

縱骨-強框連接結構的疲勞強度是船舶疲勞的重要組成部分，業(yè)內(nèi)同行針對不同船型的該部分結構的相關研究[4-7]與PLUS疲勞強度計算的要求有較大區(qū)別。從表1、2可見，縱骨-強框連接結構的疲勞強度校核既包含高周疲勞，又包括低周疲勞，熱點應力的計算方式也有差異。

2.1 高周疲勞強度校核

2.1.1 計算方法和流程

縱骨-強框連接結構的疲勞強度校核采用熱點應力法，如式(1)。其校核流程見圖3。

σHS=SCF·σn

(1)

式中：σHS為熱點應力；SCF為應力集中系數(shù)；σn為半名義應力模型讀取的名義應力。

2.1.2 PLUS校核的工況與載荷

對于穿梭油船，需要考慮對正常壓載到港和滿載離港兩個裝載工況進行疲勞校核，其在整個生命周期所占比例見表3。其他船型可根據(jù)需要選擇除此之外的典型裝載工況。

表3 計算工況

對于縱骨-強框連接結構進行PLUS疲勞校核，船體梁載荷對其結果影響較小，可忽略不計，只需考慮局部載荷，包括海水、壓載和貨物。

在CN34.2中，采用10-4超越概率水平的波浪載荷，把同一壓載工況正浮狀態(tài)下的3種載荷分別在不同的載荷工況中加載，如表3所示。該加載方式主要是由后期的應力幅值計算方法決定。

2.1.3 有限元模型

對于PLUS計算的有限元模型需要2種：整體貨艙模型和半名義應力模型(semi-nominal stress model)。其中整體貨艙模型是基于結構凈尺寸的粗網(wǎng)格模型，其邊界條件、模型范圍和網(wǎng)格密度等要求與CSR或者NAUTICUS(Newbuilding)的要求一致，具體可參考相關規(guī)范[8-9]。

半名義應力模型是在PLUS規(guī)范里引進的一個概念，滿足以下要求。

1)熱點應力位置的網(wǎng)格密度為50 mm×50 mm。

2)穿越孔按照真實的高度和寬度建模，圓角單元用方形單元代替，例如穿越孔角隅，見圖4。

3)穿越孔補板用母材面內(nèi)殼單元模擬，不用考慮與母材重疊的板厚和偏心，由偏心導致的彎曲應力通過應力集中系數(shù)來體現(xiàn)。

4)型材的腹板和面板用殼單元模擬，建模在其板厚的中心線處。

5)殼單元采用8節(jié)點四邊形單元或者6節(jié)點三角形單元，梁單元采用3節(jié)點單元。

使用半名義應力模型代替txt細網(wǎng)格模型有以下優(yōu)勢。

1)準確捕捉幾何應力流和穿越孔、防傾肘板、腹板型材指端對應力分布的影響。

2)準確捕捉型材傳遞到肋板腹板的剪應力分布。

3)相比txt網(wǎng)格，更節(jié)省時間。

4)能夠有效提取用于疲勞計算的名義應力。

半名義應力模型必須嚴格滿足以上要求，否則對評估結果會產(chǎn)生較大的影響。該模型既可以直接在整體貨艙模型中進行局部細化，也可單獨作為子模型進行有限元計算。文章采用子模型法。

2.1.4 應力集中系數(shù)

應力集中系數(shù)的選擇，取決于型材與強框的連接形式。規(guī)范中給出了很多典型節(jié)點的應力集中系數(shù)[1]。這些系數(shù)經(jīng)過多次試驗或計算驗證，具有很高的可靠性。如果使用規(guī)范中的節(jié)點形式，可以直接選擇對應的應力集中系數(shù)，此時半名義應力模型的網(wǎng)格劃分要嚴格遵守規(guī)范要求。對于規(guī)范中沒有的節(jié)點形式，可以通過建立半名義應力模型和txt模型，分別加權計算側向壓力、軸向位移和水平位移的方式求得應力集中系數(shù)。規(guī)范中有明確的指導方法，也有工程師對此做過專門的研究[10-11]。

2.1.5 熱點應力范圍計算

在CN34.2中，有效組合熱點應力范圍通過線型疊加外部載荷和內(nèi)部載荷產(chǎn)生的應力，再通過平均應力水平的修正后得到。公式如下。

Δσ=fm·Δσ0

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Δσ為有效組合熱點應力；Δσ0為組合應力范圍，見式(3)；fm為平均應力系數(shù)，見公式(4)；fe為環(huán)境系數(shù)，與航行路線有關；σe和σi分別為外部和內(nèi)部動載荷引起的最大主應力；σt和σc分別為相應工況下的拉應力和壓應力；σstatic為靜載荷引起的最大主應力。

2.1.6 疲勞累計損傷計算

假設應力范圍的長期分布滿足兩參數(shù)的威布爾分布，采用雙斜率S-N曲線計算其在空氣中累計損傷按式(7)計算。S-N曲線要素見表4。

(7)

式中：Δσ為超越n0次循環(huán)的最大應力范圍。

PLUS計算中，所有的縱骨使用一個威布爾形狀系數(shù)h，如式(8)所示：

h=2.26-0.54lgL

(8)

式中：L為規(guī)范船長。

表4 CN34.2中空氣或鋅塊保護的S-N曲線要素

船舶運營周期中，海水腐蝕條件與干燥空氣中的疲勞損傷不同，假設海水腐蝕條件下的損傷是干燥空氣中的2倍，其整體疲勞損傷計算如下。

(9)

式中：DHFC為生命周期內(nèi)高周疲勞累積總損傷；DCorrosive為腐蝕條件下生命周期內(nèi)的疲勞損傷，DCorrosive=2·DInAir；Tdesign為設計疲勞壽命；TC為生命周期內(nèi)結構承受海水腐蝕的時間，假定為5a。

2.2 低周疲勞強度校核

2.2.1 有效熱點應力范圍計算

計算穿梭油船中縱骨-強框連接結構的低周疲勞，需要考慮裝載和卸載的應力峰值以及波浪作用引起的熱點應力范圍，計算其熱點應力范圍的合成，見圖5。

合成熱點應力范圍由式(10)得到。

(10)

(11)

(12)

低周疲勞的熱點應力范圍很大，往往造成熱點局部結構的屈服，所以有效熱點應力范圍需要通過線彈性分析后經(jīng)過非線性修正得到。

Δσeff=ke·ψ·Δσcomb

(13)

式中：Δσeff為有效熱點應力范圍；ke為塑性系數(shù)，與Δσcomb/fy有關；fy為材料最小屈服強度；ψ為應力再分布系數(shù)，與Δσcomb/fy和材質(zhì)有關。

2.2.2 疲勞累計損傷計算

低周疲勞計算采用單斜率的S-N曲線計算，該曲線適用于整個生命周期，其表達式如下。

logNk=1.085-3·logΔσeff

(14)

式中：Nk為對應工況應力水平下的使用壽命。

低周疲勞的累積損傷度按下式計算。

(15)

式中：Lk為組合工況k在生命周期中所占的比例。

2.3 整體疲勞損傷計算

縱骨-強框連接結構的PLUS疲勞損傷同時包含高周疲勞和低周疲勞，當?shù)椭芷趽p傷低于0.25時，可忽略不計，只考慮高周疲勞；當?shù)椭芷趽p傷高于0.25時，按式(16)計算。校核衡準見圖6。

(16)

PLUS船級符號對穿梭油船縱骨-強框連接結構的疲勞強度校核同時包含低周和高周疲勞，其中高周疲勞的累積損傷、低周疲勞的應力范圍和累計損傷計算方法和文獻[3]一致，可參考借鑒。高周疲勞的累積損傷計算中所有縱骨只使用一個威布爾系數(shù)，無需考慮縱骨位置變化。高周疲勞計算雖然使用規(guī)范載荷，但是忽略船體梁的載荷，只加載局部載荷，計算中要注意。應力范圍只考慮平均應力和環(huán)境的影響，其他焊接、板厚、材質(zhì)以及腐蝕的影響需要在計算中加權考慮。

3 實船計算

某穿梭油船，全球無限航區(qū)航行，共有6個貨艙。選擇其4號貨艙中間FR78肋位的縱骨-強框連接結構，依照CN34.2對目標區(qū)域進行PLUS符號疲勞強度校核。船體主尺度見表5。

表5 實船主尺度

利用SESAM軟件中的Genie模塊進行有限元建模，Sestra模塊進行線彈性計算。整體貨艙模型與目標強框結構的半名義應力模型見圖7。

縱骨連續(xù)穿過強框，由非水密補板連接，強框布有垂直的腹板扶強材與縱骨頂部向量，節(jié)點分布見圖8，分別參考文獻[1]中8.4節(jié)的T201和T303節(jié)點選擇應力集中系數(shù)，T201節(jié)點(圖8)的應力集中系數(shù)見表6。半名義應力模型中對應的疲勞熱點定義見圖9，讀取熱點處的最大主應力值，見圖10。

利用式(2)～(6)計算熱點應力范圍，假設其低周疲勞設計壽命為1 250次，兩組典型節(jié)點的疲勞損傷計算結果見表7。

表6 典型節(jié)點與應力集中系數(shù)

通過表7可以看出，在滿足HCSR疲勞規(guī)范校核的縱骨，在PLUS計算中仍有個別熱點疲勞強度不能滿足要求，或者損傷遠高于HCSR。

4 結論

1)PLUS對縱骨-強框連接結構的疲勞強度要求比HCSR更加嚴格。PLUS疲勞規(guī)范校核能在HCSR的基礎上提高穿梭油船結構的疲勞強度，提高其安全可靠性。

2)對于穿梭油船的縱骨-強框連接結構來說，低周疲勞對聯(lián)合損傷有很大貢獻，甚至在個別熱點占主導地位，例如內(nèi)底縱骨的302熱點。這與穿梭油船的頻繁裝卸載工況有關。低周疲勞校核在穿梭油船關于PLUS計算中不可或缺。

3)PLUS對結構疲勞校核要求的范圍廣，工作量十分龐大，除指定位置節(jié)點外，可以使用疲勞篩選方法進行校核。

4)結合計算流程分析目標結構的PLUS規(guī)范校核，加深了對PLUS符號的深入理解，可為后續(xù)船舶計算提供參考；但是對其中的個別參數(shù)細節(jié)和簡化原理，以及對具體結構形式的影響，仍需要進一步深入學習和研究。

表7 目標結構疲勞累積損傷結果

注：黑體數(shù)值為結構熱點的最大累積疲勞損傷及占主導地位的損傷形式(低周或者高周疲勞)。

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