客滾船車輛甲板疲勞問題分析

朱麗紅

摘 要：疲勞是在循環載荷的反復作用下，在原材料的局部缺陷或結構的局部應力集中處逐漸形成裂紋并擴展到失效的一種行為。在重載車輛作用下，車輛甲板因其功能的特定性和結構的復雜性更容易產生疲勞破壞。車輛甲板材料本身的缺陷、構造細節缺陷、車輛超載等多方面的原因，都可能導致車輛甲板的疲勞破壞。本文概括和總結了車輛甲板疲勞破壞的機理和影響因素，對某輪車輛甲板因局部應力集中產生的疲勞破壞進行了簡要的分析和介紹，就改善車輛甲板抗疲勞性能的措施做了初步的探討，對延緩車輛甲板疲勞破壞的發生有一定的指導意義。

關鍵詞：車輛甲板;疲勞;影響因素;措施

中圖分類號：U674.12 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）07-0100-02

客滾船在營運過程中，載荷是隨機變動的;船舶承受的波浪載荷、風載荷以及航行時產生的各種慣性力也是隨機變化的，這種不斷變化的載荷使船體內部產生交變應力[1]。在長期交變應力的作用下，變化載荷周期的累積效應造成了船舶的疲勞破壞。因疲勞破壞造成的海損事故時有發生，1972年瑞典公布85條大型船舶結構破損情況的調查，在船體破損中因疲勞問題造成的破壞比例占70.45%[2]，第七屆船舶結構力學大會指出，船長超過200m的船舶總損傷的70%屬于疲勞損傷[3]，1994年9月“Estonia”號滾裝輪渡航行至波羅的海北部海面時艏門與船體連接處發生疲勞斷裂，在風浪聯合作用下海水迅速涌入車輛甲板，導致船舶迅速下沉，900多人喪生。各種實船研究報告表明，疲勞破壞是船舶結構破壞的主要形式之一，是航運管理中必須重視的問題。

1車輛甲板疲勞破壞的機理

微觀機理：車輛甲板鋼板內部晶粒結構不同，不同方向各向異性并且不均勻，不均勻的微觀結構下應力分布也是不均勻的。在高應力作用下，金屬內部薄弱晶粒易出現位錯運動，位錯由變形能力強的區域，滑移到變形能力較弱的區域，當位錯不能繼續滑移時，部分晶粒局部出現短而細的滑移線，并出現相繼錯動的滑移臺階;隨著循環次數的增加，原滑移線附近出現新的滑移線并形成較寬較深的滑移帶，繼續增加應力循環次數，滑移帶尺寸及數量增加明顯，最后滑移帶數量接近飽和，微裂紋在大量滑移帶中產生。循環載荷作用下，微裂紋繼續擴展和連接，逐漸形成主裂紋。

宏觀機理：船舶在制造過程中不可避免的存在缺陷，船體結構中的微裂紋總是存在的。在交變載荷的作用下，微裂紋進一步擴展，形成宏觀裂紋。同樣，在應力集中部位，由于高應力的存在，即使材料沒有缺陷，在循環應力的作用下，也會產生裂紋，出現疲勞問題。

2車輛甲板疲勞破壞影響因素

2.1局部應力集中

客滾船車輛甲板的結構，為了滿足使用要求和設計要求，制造工藝復雜，節點類型和細節構造多樣，復雜結構和不同的幾何形狀易于產生應力集中。車輛載荷通過車輪作用于車輛甲板，但是由于車輪與甲板作用面很小，接觸面壓力很大，整個甲板載荷分布極其不均勻，局部應力集中現象突出[4]。疲勞破壞總是出現在應力集中的地方。

筆者曾參加了某輪車輛甲板疲勞破壞原因分析和探討修復方案的全過程。該輪車輛甲板局部甲板發生疲勞破壞，裂紋長度約10cm，深度約2mm，破壞范圍如圖1（陰影部分為破壞范圍）。分析疲勞破壞的原因如下：①車輛超載;②重載車輛輪印處載荷較大，當輪印處于No.10甲板縱骨兩側，且輪印落在縱向強框架之間時（此時甲板載荷最大），輪印左側為單板格結構，右側為三板格結構，左側板格結構偏弱，在重載車輛載荷的作用下左側甲板發生屈曲變形;③輪印下結構不連續，No.9水密艙壁垂直扶強材上端肘板與No.10甲板縱骨連接處，No.10縱骨向舷側未設置對應的肘板構件（圖2），形成輪印下局部應力集中。綜合分析，在重載車輛載荷的作用下，因局部板格強度不同，結構不連續，車輛甲板出現局部變形，經過數次循環載荷的作用，甲板由局部變形發展直至疲勞破壞。

2.2應力循環次數

應力循環次數是指在循環載荷的作用下應力由最大到最小的循環次數。在不同的應力幅值作用下，車輛甲板產生疲勞破壞的應力循環次數不同，應力幅值越高，導致疲勞破壞的循環次數越少，相反則越多。車輛甲板產生疲勞破壞的應力循環次數隨著應力幅值迅速變化，重載車輛載重越大，應力水平越高，產生疲勞破壞的循環次數越少，即較少裝卸載次數也會導致甲板的疲勞破壞。研究表明，對于車輛甲板的疲勞，當工作載荷低于疲勞極限時，車輛裝卸次數對疲勞破壞影響較小;但是如果疲勞破壞以某種方式開始，即便工作載荷低于疲勞極限，疲勞破壞也將繼續進行。

2.3應力幅值

一般來說，應力幅值是影響疲勞破壞的主要因素，車輛甲板以運輸載重車輛為主，超重現象比較普遍，車輛甲板同時作用著次數較少的低應力循環載荷和次數較多的高應力載荷，大小載荷交互作用于車輛甲板，若干循環次數下施加高應力載荷和少量高低應力的交錯載荷更容易產生疲勞破壞。應力幅值越高，疲勞破壞所需時間越短。

2.4平均應力

反應金屬結構疲勞性能的S-N曲線，是在恒幅應力作用下由試驗求得。對于復合應力作用下的船舶，按等效損傷的原則，疲勞破壞程度為多個恒幅應力作用下疲勞破壞的疊加。圖3為平均應力、應力幅值、循環次數關系曲線。

3減緩車輛甲板疲勞破壞的措施

延長車輛甲板的抗疲勞性能，是船舶技術管理人員面臨的重要問題。對車輛甲板而言，合理的工作載荷和優良的細節設計是延緩車輛甲板疲勞破壞的重要方法。縱觀疲勞破壞的影響因素，載荷循環次數、應力幅值和應力集中是客觀存在的事實，改善車輛甲板疲勞性能的主要因素是消除或減少應力集中，合理裝載和配載。具體措施如下：

（1）采用合理的結構。結構的疲勞破壞多數開始于最大應力處，所以設計之初應采用合理結構：對必須的開口，應考慮選擇合適的形狀和位置，盡可能增大過渡處的圓角，位置盡量布置在低應力區;

（2）減少截面突變。避免出現尺寸突變的不連續結構，橫截面尺寸突變時盡可能光順和平滑過渡，確保應力的有效傳遞。

（3）營運過程中合理裝載配載，車輛載荷符合甲板設計要求，降低應力幅值和平均應力。

4結語

疲勞破壞是影響船舶安全營運的重要因素。對客滾船來說，營運過程中要從可控因素改善車輛甲板疲勞性能，使可能出現的疲勞問題降至最小程度。提高對疲勞問題的重視程度，及時發現和消除疲勞破壞隱患，才能確保船舶的安全，避免人員生命和財產的損失。

參考文獻：

[1]中國船級社.船體結構疲勞強度指南[Z].人民交通出版社，2001.

[2] Vedeler G. To What Extend do Brittle Fracture and Fatigue Interest Shipbuilders Today[R]. Houdremont ?Lecture 1962， Sveiseteknikk， 1962.

[3] Kjellander S L. Hull Damadge on Large Swidish-built Ships. Styrelsen for Teknisk Utveckling[R]， 1972.

[4] 蔣志巖， 古長江.滾裝船車輛甲板強度分析[J]. 船舶， 000（2）：20-23.