HCSR油船熱點疲勞強度案例分析

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(1.中國船級社 廣州分社，廣州 510235；2.武漢理工大學 交通學院，武漢 430063)

船舶在其整個生命周期內，會經歷不同的裝載模式、遭受交替的載荷作用，導致船舶結構產生疲勞裂紋。為了協調散貨船和油船共同結構規范的差異，IACS成立項目組，按IMO目標型船舶建造標準(GBS)要求[1]，編寫了協調版《共同結構規范》。作為IACS最新推出的HCSR[2]規范對疲勞強度提出了更高的要求，以保障船舶的航行安全，以至于造成船體結構設計和審圖工作量巨大、周期長、效率低。本文從實例出發，分析油船的熱點疲勞強度，采用FEA數值計算方法，分析不同的節點設計參數(板厚、軟趾形式、倒圓弧半徑等)對疲勞損傷的影響，試圖找出提高相關節點疲勞年限的有效方法，找到那些可以免算的優化節點和尺寸，達到減輕船舶設計/審圖工作量、縮短任務周期的目標。

1 關于HCSR規范疲勞評估方法

根據實際的營運經驗，規范設定了三類疲勞評估節點位置：強制細化評估位置、篩選細化評估位置、需滿足疲勞設計標準的評估位置。對于每類需要做細化有限元評估的疲勞節點，根據疲勞裂紋萌生的具體位置不同，需要評估多個疲勞熱點。對于每個疲勞熱點，根據其所處位置，有a型熱點和b型熱點之分，不同種類的熱點要求不同的網格大小。如此一來，相對老的CSR-OT[3]規范，工作量大大增加。暫不考慮HCSR規范對于熱點疲勞評估要求的合理性，僅從實操角度總結易于滿足新規范的方法。

HCSR規范疲勞強度[4]的有限元分析基于PM方法進行疲勞計算，計算基本過程為：

1)根據船型不同設定幾種基本的裝載模式并對每種裝載模式設定相應的時間分配。

2)對每種裝載模式計算其對于8種等效設計波的2個極端相位處的單元應力。

3)根據上述單元應力并考慮不同的熱點類型采用相應的應力提取方法計算出熱點應力幅值[5]。

4)根據熱點應力幅值計及熱點處的板厚、焊接處理方法以及平均應力計算出熱點處的疲勞應力幅值。

5)根據疲勞應力幅值計算出各裝載模式下的疲勞累積損傷[6]，并考慮環境的腐蝕綜合得出其整體的疲勞壽命[7]。

對于一個節點位置，所有的疲勞熱點都必須按上述過程進行計算并滿足疲勞壽命要求后，該節點才可以通過評估。

2 實船計算分析

選取一艘阿芙拉型油船的下折角處關鍵節點的新要求(即相比老的CSR-OT規范，該要求是HCSR規范新增部分)作為分析對象，以不同的節點形式分別計算其疲勞強度。算例嚴格按照HCSR規范的要求，采用CCS_HCSR_Tools進行計算和疲勞壽命評估，目標船已通過CCS審圖批準。

位置：最關鍵強框架位置處的焊接型底邊艙下折角連接[8](底邊艙斜板、內底板、縱桁、實肋板和橫向強框架的交點)見圖1。

圖1 焊接型底邊艙下折角連接處熱點分類

根據規范要求，該下折角連接處有6個熱點，分別需要用3種熱點應力計算程序進行評估。不同的應力計算程序又分為兩種類型：類型a，熱點位于焊趾所在板的表面；類型b，熱點位于焊趾所在板的邊緣。不同類型對應不同的建模要求：對于a類型的熱點應力評估基于殼單元網格尺寸tn50Xtn50，tn50為熱點所在板材的凈厚度，如果構件連接處有不同的厚度，這個凈厚度為裂紋可能發生和擴展的構件的凈厚度；對于類型b的熱點應力評估基于網格尺寸10 mm×10 mm。這就要求在一個位置連接處建立精細有限元網格模型時，對于不同要求的熱點，模型的網格尺寸應不同。 該處節點的有限元模型見圖2。

圖2 焊接型底邊艙下折角連接處熱點模型

其中熱點6——type b是HCSR規范新增的熱點要求，是本文考察的對象。對于類型b的熱點，其應力分布不取決于板厚，熱點應力σHS為表面主應力σ的1.12倍，讀取于距焊趾5 mm處。這種熱點的疲勞評估，應使用梁單元來獲取疲勞應力范圍，應力范圍基于梁單元的軸向應力和彎曲應力，梁單元的高度與所考慮板材的厚度相同，寬度方向近似忽略。

2.1 肘板厚度對疲勞強度的影響

經過計算后發現，沿著肘板趾端高度方向(表1中標號①)的疲勞壽命容易滿足，沿著內底板方向(表1中標號②)的疲勞壽命不滿足。為了分析比對，修改肘板厚度，不同厚度嵌接肘板的疲勞年限總結見表1。

表1不同厚度的肘板疲勞年限

2.2 肘板臂長對疲勞強度的影響

由表1可知，隨著嵌接肘板的建造厚度增加，標號1應力提取方向的疲勞年限提高，標號2應力提取方向的疲勞年限降低。增加肘板厚度在改善該處疲勞強度未見效果，改為延伸趾部臂長，并適當倒圓過渡，不同臂長嵌接肘板的疲勞年限總結見表2。

表2不同臂長的肘板疲勞年限

2.3 肘板軟趾對疲勞強度的影響

由表2可知，隨著肘板臂長增加，標號1應力提取方向的疲勞年限顯著提高，標號2應力提取方向的疲勞年限緩慢提高。增加肘板趾部臂長有效果，進一步采用軟化趾端的方式，不同趾端軟趾曲率嵌接肘板的疲勞年限總結見表3。

由表3可知，隨著嵌接肘板的趾端軟趾曲率調整，標號1應力提取方向的疲勞年限顯著提高，標號2應力提取方向的疲勞年限也已滿足規范要求。

表3不同軟趾曲率的肘板疲勞年限

注釋：為了保證對比，趾端高度保持不變，采用R120時趾端處幾何變形，實際設計時可降低趾端高度，平滑過渡。

經過以上的對比驗證可知，底邊艙下折角處的熱點6，對于type b類熱點的疲勞評估，增加嵌接肘板的厚度只能提高沿趾端高度方向的疲勞年限，相反會降低沿內底板方向的疲勞年限。所以該肘板在滿足粗網格屈服強度、屈曲強度的前提下，不要過強，以免應力集中；同時，適當軟化趾端對于新的type b型熱點有良好的效果。

疲勞年限要求在扣除0.5倍腐蝕余量后能達到25年。焊接后處理改善疲勞強度的方法只能視為達到疲勞年限的補償辦法。當考慮該處理的有利影響時，疲勞壽命可不小于17年。

應當注意焊接改善方法具有一定的適用范圍和要求。通常在船舶設計階段，計算疲勞年限時不考慮這些改善方法帶來的好處，只有當不能采用替代措施合理達到設計壽命才能考慮這些好處。

3 實船案例分析

肘板趾端處的type b型熱點造成的疲勞裂紋越來越多地出現在船舶相似節點處，如圖3所示的某油船骨材端部肘板趾端處的疲勞裂紋。標號2就是垂直于焊縫的應力提取方向，與底邊艙下折角熱點6處的沿內底板的應力提取方向相同。后與船東議定該處節點的修理采用軟化肘板趾端、改進焊接工藝等方法。即肘板趾端倒圓角、連接焊縫采用全焊透型式，并將焊縫打磨光順的方法進行修理。

圖3 某輪骨材端部肘板趾端處的疲勞裂紋

4 結論

對于新增的熱點6，嵌接肘板本身在滿足屈服強度、屈曲強度的前提下不能太硬，其厚度選取可參考散貨船的設計標準E處，嵌接肘板的趾端建議參考大肘板趾端采用軟趾的設計形式。

本文僅對一種船型的一種節點進行了對比分析，可能有局限性，后期還需大量實船驗證。另外對于新的type b類熱點的疲勞評估，往往只評估了沿肘板趾端高度方向的疲勞壽命，而忽視了沿內底板方向的影響，在船舶設計中需要留意。

新的HCSR規范提高了對計算的要求，從粗網格的屈服屈曲強度、細網格的屈服分析，到精細網格的熱點疲勞評估，工作量大幅提升。規范作為船舶強度評估的主要依據，應該給出各種常見結構的最優節點，以輔助船舶設計。只有當采用新穎的結構形式時才需要大量計算驗證。如HCSR規范第9章第6節給出的“結構細節設計標準”，只要按這些標準來設計就認為結構強度滿足要求，免于計算，期待擴充這些設計標準。