采用简化方法的船体结构疲劳强度校核刘权

采用简化方法的船体结构疲劳强度校核刘权

刘权

舟山中远船务工程有限公司浙江舟山316131

摘要：通过简化的方式来对船体结构疲劳强度进行校核，可以起到良好的效果，而且处理难度较低。以当前简化方法与船体结构疲劳强度校核工作开展的情况为基础，结合近年来的工作经验及科学发展成果，对相关问题进行阐述。

关键词：简化方法；船体结构；疲劳强度；校核

引言

船舶运行会受到各种内部与外部因素的影响，使其在海上航行的过程中，内部结构不断的产生变化，并出现交变应力，导致船体结构出现疲劳损伤的问题。疲劳损伤属于比较常见的一种影响船体结构稳定性的要素之一，这一特点在大型的船舶或者钢结构船舶中十分常见。许多国家都开始将疲劳强度问题融入到规范纲领中，并根据工作开展的情况，编制不同的疲劳强度指导文件。从本质上来看，疲劳强度属于船舶局部位置强度问题，相关工作人员需要按照结构的特点以及结构细部内容，分别对不同的船舶焊接点位置进行校核。船舶在建造的过程中，会发生诸多不同种类节点，而且不同种类的节点自身荷载也十分复杂，所以要考虑到疲劳强度校核方面的问题，下文将对相关内容进行阐述。

1简化内容阐述

疲劳简化计算，主要内容分别集中在疲劳载荷内容简化与计算以及节点的热电应力简化计算等方面，有时还需要对累计损伤的情况进行全面简化与计算。在计算的过程中，如果可以直接的对荷载与热点二者向交变的位置自身应力情况进行计算，可以从根本上节约计算的时间，而且还可以控制工况，让工况始终处在一个比较小的范围区间内，进而在最短的时间内对结构自身的疲劳损伤度进行综合计算，提升计算效率。

在目前常见的所有疲劳简化计算方式当中，应力范围长期分布一般都会将其自动归纳到Weibill分布体系结构当中，并且Weibull的分布状态会受到不同参数表达的影响，需要通过不同特征模式下的参数表达经验公式来计算出最终的结果。在处理尺度参数的时候，因为尺度参数有时会和超越概率应力范围相对应，所以可以通过推导的方式，结合应力范围来计算出尺度参数。如果利用应力范围自身的长期分布特点来计算，则可以按照S-N曲线搭配累计损伤理论的方法来对最终的结果进行推导。工作人员在对应力的实际范围进行计算时，可以多考虑使用设计荷载或者是规范经验公式方面的内容，搭配一些荷载计算程序，即可算出相应的结果。在对应力进行计算的过程中，要考虑到船体结构以及船体结构剖面的性质，之后搭配一些简化过后的公式或者搭配有限元，对船体应力范围进行计算。如果决定使用有限元法来对这些方面的内容进行计算，可以适当的搭配一些粗网格的模型，通常首选强度评估建模的方式，对节点名义应力来进行计算。如果需要使用热点应力的方式来对目标进行计算，则应力的集中系数可以通过综合考虑船级社规范的形式来得出最终的计算结果，明确交变应力的实际范围。

2船舶疲劳载荷问题讨论

船舶的疲劳载荷问题，是影响船体结构稳定性的关键要素之一。船体自身存在波浪诱导弯矩与扭矩这两个方面的特点，而且船舷外部的海水会不断的给船舷位置以及船体自身结构增加压力，这种压力会以动压力的形式施加到船体上。并且因为船舶在日常运动过程中，会不断的诱发船舱内部货物发生晃动，货物与其余的各种船体部件在运动的过程中，也会不断的给船舷位置以及船底的位置增加压力。

垂向的波浪弯矩包含了许多种类，不仅有中拱波浪弯矩，同时也囊括了一些中锤波浪弯矩，利用计算公式可以对波浪的扭矩进行计算。假定M=0.253ML2.25kn.m，则该公式当中的L可以代表船体自身的总长度，而B则可以代表船体自身的宽度，d1可以代表计算工程模式下的总吃水深度，以m作为单位，Cb可以代表方形的实际系数，最后将M作为弯矩的船长实际分布系数指标模式，具体的情况如下；

At=0.001132e-0.00718LLB3Ct（1-cos2πx/L）该公式当中，e代表了船体自身基线之下实际上剪切位置中心点直到基线二者之间的相对距离，距离的长度可以用m作为单位，而x则代表了计算剖面直至后面尾垂线二者之间的距离，该距离也可以将m当成单位。Ct则代表了船舶水线面方面的系数指标，如果船舶尾斜浪是整数，则首斜浪是负数。

在对船舷外部位置海水的动压力进行计算时，可以先确定0.2-0.7船长范围之内的船舷位置水线处，并且还可以沿着水线的位置以及船底边缘的位置等，对相关的内容进行计算。假设船舷一侧的位置海水动压力值为pwl，则可以按照下述两种公式来对其进行后续计算；

Pba1=pwl1-1.2a1kN/m2，而pba2=0.5pwl1-0.6d1+5bmexpkn/m2.

在明确上述公式之后，工作人员可以按照公式来对船底中线位置海水自身的动压力情况进行计算，假设海水的动压力结果是pBC，则PBC=Pwl1-1.2d1，用KN/m2来代表其单位。船舷位置与船底的位置其海水动压力的分布情况存在较多的差异，但是二者从整体上来看，都是以线性的形式在分布，具体的分布情况如下图1所示，也可以利用通过图2来对计算点位置海水的动压力进行计算。

图1分布情况示意图

计算点位置海水动压力假定为phd，则在船舷侧面位置水线上部分以及海水的动压力线性都会不断的缩小，直至到水线之上的h1位置，动压力结果为0，分别对二者进行计算，取最小的值为最终的计算结果。明确计算结果之后，对最终的计算结果进行后续处理，将计算的结果通过乘积的方式进行转换，将其转换成为超越累积概率的具体值，以Weibull的状态进行分部。

2.2船舱内部货物带来的压力

船舱内部的压力一直以来都是船体结构疲劳强度校核过程中的关键组成部分，液货可以分别作用到船舷的位置、船底的位置以及船舱边壁上，可以通过下述方式来对这些位置的压力情况进行计算。

P1=pavz，P2=pa1y，P3=Pa1x，三者都用kN/m3作为单位。该公式当中，P代表了货物自身的质量密度结果，而x、y与z的代表了不同的船舱内部自由液面中心其在纵向角度、横向角度以及垂直方向所有的距离。公式中的aX分别代表纵向角度、横向角度以及在垂直方向角度的加速情况，加速单位选用m/s2.在对船舱内部货物压力情况进行计算的过程中，要考虑到货物质量密度的具体数值，船体内部的前后液仓当中都有液货横仓壁，所以在对其进行计算的时候，要多关注一些横仓壁前后的情况以及表面压力相互抵消问题。针对左右液仓的情况，发现绝大部分液仓内部都有液货，这些液货存在于纵舱壁的位置，所以纵舱壁左右两面产生的压力会相互抵消掉，也会有一些压力会叠加。干货会作用到船舷的位置以及横仓壁的位置上，给这两个位置增加压力。在对其进行计算之前，需要先明确水平面内舱内货物长度与舱内货物的宽度等条件，因为干货后续会逐渐的作用到水平夹角上，这些水平夹角倾斜内底压力可以按照不同的不同的方式进行计算，最终取值选择最大值。P的计算结果会受到patb的影响，一般情况下P的最终结果均为0.7Xpatb，单位为kN/m2公式当中，b与t分别代表了计算点方位水平面内部的船舱货物宽度与船舱货物长度这两方面的内容。舱内的干货通常会作用到水平面夹角上，并以倾斜内底的形式来进行计算。明确计算点位置与船舱内部货物表面的垂直距离，提升计算的准确性。

3船体结构疲劳应力问题研究

因为船体结构出现疲劳的主要原因集中在应力范围方面，所以疲劳应力一般情况下均代指船体结构当中的波浪荷载。如果出现波浪荷载，会导致交变压力发生变化，影响交变压力范围。从近年来工作开展的情况来看，项目结构上增加的上节公式计算可以得出具体的波浪荷载数值，结合一些前些年常用的结构力学方法，可以计算出具体的应力范围数值，可以将这一应力范围数值作为基本设计的应力范围来看待。

3.1应力范围分量计算内容研究

如果使用前些年的传统结构力学方法来对相关环节进行计算，可以先设定具体的应力范围。应力范围设定可以按照应力范围的具体数值与船体局部的应力范围这两个环节进行计算。从整体上来看，应力的范围应当包含了垂向与水平波浪这两个方面的内容，分别定义为Sv与Sh这两个部分，均通过波浪扭矩引发翘曲应力范围，将翘曲应力范围假定为Sw。从目前的工作开展情况来看，局部应力范围一般都会受到船舷外部海水动压力以及船舱内部货物压力这两个方面的影响，也会被舱壁等位置影响，导致板架的弯曲范围受限。梁体弯曲应当结合应力范围来确定，搭配结构力学公式来对相关的内容加以计算。

3.3结构应力范围计算问题

以常见的简化方法为例，在对其结构应力进行计算的过程中，要考虑到船体自身的尺度以及船体结构形式等方面的问题，结合剖面特征情况，提升结构应力计算精确度。部分船舶因为应力比较集中，且横向强度问题显著，可以利用有限元方法来对其进行计算。

结束语

船体结构疲劳强度校核，是船体结构检查过程中比较关键的一个组成要素，对保证船体结构稳定性以及船舶运行安全性具有十分重要的意义。上文首先对简化方法及内容进行了阐述，之后分别从船舱内部货物带来的压力、船体结构的波浪弯矩与船体结构扭矩问题阐述这两个方面，讨论了船舶疲劳载荷问题。之后从结构应力范围计算问题、应力范围合成工作模式、应力范围分量计算内容三个方面，分析了船体结构疲劳应力问题，希望可以为后续工作的开展提供参考。

参考文献

[1]陈锋，刘俊.不同腐蚀修正方式对LNG船疲劳强度评估的影响[J].船舶工程，2015，07:15-17+89.

[2]牛松，任慧龙，冯国庆.基于裂纹扩展理论的船体结构疲劳评估[J].船舶力学，2015，08:958-965.