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摘要：随着高强度钢材广泛应用于船体结构,以及船舶设计水平的不断提高,船体结构疲劳强度的校核变得越来越重要。与此相适应,各国船级社亦逐步在规范中提出疲劳强度校核的要求,并给出相应的校核方法。目前，船舶结构的疲劳校核大多数是基于 S-N 曲线的方法。它假设材料是无缺陷的连续体，而实际材料中总是存在着裂纹或类裂纹的缺陷，因此将疲劳裂纹扩展理论应用于疲劳寿命预测已成为研究疲劳问题的发展方向。
关键词：船体结构，S-N曲线，疲劳强度核校，分析
1前言
船舶在海上航行时,船体结构受到波浪力及运动产生的各种惯性力的作用,结构内部产生不断变化的交变应力并造成疲劳损伤。疲劳破坏是船舶结构的主要破坏形式之一。对于大型船舶和使用高强度钢材的船舶,疲劳问题显得尤为突出。近年来,疲劳问题越来越受到重视。各国船级社相继在规范中对疲劳强度提出了要求或编制了有关疲劳强度的指导性文件。国际船级社协会(IACS)还专门成立了特设工作组,旨在建立一个统一的疲劳强度评估流程。疲劳问题也引起中国船级社(CC)S的高度重视,为此开展了一系列研究工作。近期CCS编写了《船体结构疲劳强度指南》（以下简称《指南》）,正在广泛征求意见,这是CCS在疲劳规范建设方面的一项重要举措。
2船体结构疲劳强度工程计算方法
简化分析方法是基于经验公式的载荷和热点应力简化计算，多用于保守的规范估算，应用结构力学原理分析计算各应力范围分量及应力范围合成，除了应用标准的集中系数外，还可采用有限元法或试验方法确定，假定应力范围长期分布满足Weibull 分布，应用 S-N 曲线和 Miner 线性累积损伤原理，确定船体结构在设计寿命内累积损伤度。通常是利用计算软件进行节点疲劳分析，通常这种方法只适用于简单的纵骨节点。目前应用最多的疲劳简化分析方法是名义应力法和热点应力法。
2.1 S-N曲线概述
疲劳失效以前所经历的应力或应变循环数称为疲劳寿命，结构的疲劳寿命取决于材料的力学性能和施加的应力水平。一般来说，材料的强度极限越高，而且外加的应力水平越低，则结构的疲劳寿命越长；反之，疲劳寿命越短。表示交变应力的应力幅值 S 和标准结构疲劳寿命N之间关系的曲线成为材料的S-N曲线。
多数S-N曲线由疲劳试验求得。通过光滑试样在恒应力幅值对称循环下的疲劳试验，得到应力幅值与寿命之间的关系曲线，用对数横坐标表示相应的应力循环周次，对数纵坐标表示最大的应力幅值，就得到了S-N 曲线。由于试验中存在不确定性因素，需要采用概率统计手段来处理试验结果。通过试验性调整，使不同构造分级彼此协调，建立起一组可供工程使用的S-N曲线。
2.2 S-N曲线法
S-N曲线法根据各种结构类型的S-N曲线，结合Palmgren-Miner线性累积损伤准则的疲劳累积损伤方法，将船舶裂纹的扩展过程简化为一个状态，就可使S-N曲线由预报船舶裂纹起始寿命扩展到估计船舶结构的全寿命，或当船舶使用时间已知时求其相应的许用应力幅值。 S-N曲线法按工程中疲劳强度计算和分析中采用的应力类型又可以分为四种方法：名义应力法、热点应力法、切口应力法和切口应变法。这四种方法的特点如下图1：
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图1 四种疲劳强度分析方法的比较
3船体结构疲劳强度校核的简化计算方法
在对船体结构进行疲劳强度校核时,必须计算船体结构内的疲劳应力。结构的疲劳与应力范围密切相关。一般来说疲劳应力范围具体指的就是船体结构内由波浪载荷引起的交变应力范围。应力范围定义为：
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式中
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和
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分别为应力循环的最大值和最小值。
由于波浪载荷是一个随机过程,它所引起的船体结构内的应力范围也是一个随机过程。当假设应力范围的长期分布服从Weibull分布时,实际需要计算的是具有一定超越累积概率的应力范围SL,SL亦称为设计应力范围。具体计算中,如果给定超越累积概率为1/NL,那么在结构上施加超越累积概率为汹的波浪载荷,并进行结构分析即可得到设计应力范围产SL。
设计应力范围有时也称作一生中一遇最大应力范围,但是要注意,这里指的是在NL次应力循环中一遇。由于船舶设计寿命期间应力循环的总次数ND并不一定正好等于超越累积概率代表的应力循环次数NL,因此,SL不一定就是船舶设计寿命期间一遇的最大应力范围。超越累积概率通常取10-8“,这时,NL=10-8一。船舶设计寿命期间的应力循环总次数则常取ND= 0.5~0.7X108。
疲劳应力计算的方法可分为两类,一为传统的方法,一为有限元法。全船的三维有限元分析有较高的精确度,但工作量巨大,在实际使用中有一定的困难。这里我们将主要研究传统的应力计算方法。在传统方法中,结构的应力分为总体应力与局部应力两部分。总体应力包括由波浪诱导总弯矩和总扭矩引起的船体梁的总弯曲应力垂向的及水平的和总扭转应力翘曲应力。局部应力是由舷外海水动压力和舱内货物压力在舷侧、舱壁和船底结构内引起的。局部应力通常进一步细分为板架的弯曲应力、梁的弯曲应力及板的弯曲应力三个部分。具体计算时,通常直接令作用在结构上的外力为波浪诱导载荷的范围,这时计算得到的即为相应的应力范围。
为了最终得到疲劳强度校核所需要的设计应力范围SL,计算所得总体应力范围的各分量及局部应力范围的各分量首先应分别予以合成,合成后的总体应力范围和局部应力范围还应进一步合成,应力范围合成时,不仅要计及载荷的遭遇频率,还要计及各种载荷的不同相位及它们之间的相关性。此外,还要对各种其他因素的影响,如平均应力的影响等进行适当的修正。
4结语
总之，疲劳强度从本质上说是一个局部强度问题,需要针对结构细部,尤其是焊接节点进行校核,由于船体中有数量众多不同类型的节点,节点所受的载荷极其复杂,因此疲劳强度校核是一个十分复杂的问题。目前国内外船舶工程界对船体结构疲劳强度校核方法的研究仍在积极的进行之中。
参考文献
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