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摘要：疲劳失效为当前的船舶结构失效主要形式，因为船舶会长期在海洋中行驶，所以受到海浪、洋流的交变应力影响之下，造成船体结构出现应力集中、疲劳损坏等严重的问题。为了能够使得船体使用寿命得到延长，提高船舶质量水平，所以需要深入的研究船舶结构疲劳性，以提升结构总体性能。本文主要是分析机械结构疲劳强度评估方法与断裂力学理论，有限元分析Ansys软件中有相关模型的分析，能够通过断裂力学进行结构的分析与仿真。本文进行船舶疲劳强度评估分析，可以延长使用寿命，降低成本，促进船舶领域的发展。
关键词：断裂力学；疲劳评估；Ansys；仿真
船舶航行阶段中，海浪等方面的影响使其受到比较大的载荷应用，造成船舶处在交变应力的作用之下，船舶失效比较严重。疲劳破坏是船舶失效的主要形式，要进行船舶结构力学的系统性研究，可以准确的判定出船舶疲劳寿命，可以提升其安全性、经济性。当前的船舶疲劳评估已经是国内外研究重点，为船舶使用寿命的延长提供良好基础。
断裂力学是当前固体力学中一个重要的分支，最为重要的工作就是分析结构裂纹强度与寿命，可以将其分为线弹性断裂力学与弹塑性断裂力学方面。本文首先分析机械结构疲劳寿命的估算方法，然后是通过有限元软件Ansys来实现应力仿真模拟，最终可以实现船舶使用寿命确定。
1结构疲劳寿命估算方法
当前的机械结构疲劳寿命估算有着较高的复杂性，疲劳寿命具体就是在循环荷载作用之下，材料形成的疲劳破坏需要的应变或者应变循环次数。当前最为常见的疲劳损坏研究方法有如下几种：
1）S-N 曲线法
S-N 曲线法的研究是根据应力基础知识、应变试验所进行的，对数坐标系内，根据下式能够得到材料的 S-N 曲线：σmN = C, (1)式中：m，C 均为与材料有关的常数。
2）疲劳累积损伤理论
疲劳累积损伤理论在明确具体的使用寿命环节，并不仅仅是把应力循环条件之下所产生的损伤问题进行累加，而是要综合分析载荷所存在的作用力。
3）断裂力学方法
按照当前的断裂力学实施结构疲劳寿命分析是现代社会发展的趋势，结合机械结构内裂纹生长的实际情况，可以进行使用寿命评估。本文在进行船舶疲劳寿命评估时，就是通过断裂力学理论来进行的，能够重点了解船舶裂纹形式、断裂力学强度因子方面。
2船舶结构疲劳评估的断裂力学方法
从累积损伤方式进行对比分析，船舶疲劳寿命分析阶段，断裂力学能够实现 综合性的分析，其可以将加载顺序、几何缺陷等给疲劳寿命造成的影响充分考虑进去。船体结构疲劳设计时，断裂力学的应用需要通过以下几点进行:
2.1波浪载荷诱导的构件工作应力
工作应力就是船舶在海上行驶的过程中，因为波浪等因素的影响而存在的应力组合形式,一般用Weibull分布来表达。常规性质的疲劳设计环节是把波浪载荷当做与时间不存在任何关联性的随机发生过程。但是波浪载荷的真实序列，是在与时间相关的随机过程。基于此，日本研究学者总结出风暴模型来明确时间随机方程。
2.2应力强度因子及裂纹扩展法则
船舶结构的初始裂纹一般都是以半椭圆形的形式存在，所以应力强度因子通常是通过修正的Raju-Newman方程来进行计算。
2.3沿焊趾表面裂纹外观的起始状态
疲劳裂纹扩展分析方面，应该确定沿焊趾表面裂纹的起始状态。通常情况下，如果焊趾存在缺陷问题，就会使得该位置上存在比较多的表面裂纹，并不仅仅是表面裂纹。这些裂纹的形状、位置、尺寸、数量都有着明显差异，在长期工作中会相互影响和作用，从而可以形成椭圆性表面裂纹。当前很多分析方式中都假设船舶结构裂纹起始状态是单一半椭圆形表面裂纹的形式，而没有考虑到大量裂纹聚集的情况，所以导致分析效果比较差。
3船舶结构疲劳评估的可靠性方法
因为材料疲劳强度的计算有着一定的不确定性，同时船舶在海上行驶中也有特殊情况存在，所以结构疲劳寿命计算必然是无法精确的，是随机变量的形式。因此，疲劳寿命评估中，应该综合分析不确定因素，通过概率分析方法计算确定就显得尤为重要。
概率方法与S-N曲线方法结合,形成概率S-N曲线方法,概率方法与断裂力学方法相结合,形成概率断裂力学方法。
3.1概率S-N曲线方法
1)Wirsching模型。该模型在应用中是通过随机变量A表示疲劳强度不确定性,随机变量B表示疲劳载荷计算的不确定性,随机变量Δ表示采用Miner线性累积损伤理论时的不确定性,并假定它们均为对数正态分布,因而疲劳寿命T也是对数正态分布,所以Wirsching模型也称为疲劳寿命的对数正态格式。在船舶和海洋工程结构疲劳可靠性分析中应用最为普遍。
2)Munse模型。Munse模型假定结构疲劳寿命服从Weibull分布,因而也称为疲劳寿命可靠性分析Weibull格式。Munse模型并没有像Wirsching模型那样直接给出可靠性指标的显式表达式,而是给出了失效概率的表达式,同时在可能存在的不确定性中考虑了由结构制造、装配和安装的影响。
3.2概率断裂力学方法
1)裂纹扩展模型。一般采用线性的Paris公式。大量试验表明,疲劳裂纹扩展具有较大的分散性,通过Paris公式中的2个参数C和m来定量描述这种分散性,可以按照要求实施船舶与海洋工程内的疲劳性的分析，掌握其可靠性参数,一般采用2种做法。第1种假定m为确定性的常数,C为随机变量,服从对数正态分布。第2种假定m和C为相关的随机变量,分别用正态和对数正态分布来描述。
2)初始缺陷的分布。该结构部分的裂纹初始状态一般情况下都会受到多个方面因素的综合影响，是难以准确的确定的，比如制造技术水平、焊接工艺准确性、焊接质量水平等等，并且初始裂纹的探测效果会因为探测方法、技术水平、操作技能等多个方面产生影响，因此，裂纹初始厚度可以将其当做是随机变量来计算分析。
4基于断裂力学的船舶结构疲劳评估方法研究
4.1 船体结构裂纹分类
结合目前比较成熟的断裂力学基础理论，船舶结构裂纹可以分为如下几种： 1）表面裂纹
表面裂纹一般以半椭圆形的形式存在，主要是出现在船舶结构表面，有些裂纹深度相对比较小，也可以当做是表面裂纹。
2）深埋裂纹
深埋裂纹主要是分布在船舶内部结构中，如果仅仅是查看表面根本无法发现，且一般都是以圆片型或者椭圆形所存在。
3）穿透裂纹
穿透裂纹通常情况下尺寸比较大，同时在整个结构厚度内分布存在。一般来说，裂纹贯穿厚度如果超出结构部件厚度的一半，也可以叫做是穿透裂纹。目前发现穿透裂纹的形式比较多，比如曲线型、直线型等都是比较普遍的。
4.2 船舶结构的强度因子计算
在线弹性断裂力学的研究中，关键性的力学参量就是应力强度因子，其能够有效的控制裂纹周边应力场与位移场。该因子在求解中方式是比较多的，本次研究主要是通过权函数方法来实现强度因子计算，具体的可以分成如下几个类型：1）表面裂纹应力强度因子；2）中心穿透裂纹应力强度因子；3）边裂纹应力强度因子
4.3 基于断裂力学的船舶结构有限元仿真
本文在研究过程中，利用Ansys软件来实现有限元仿真分析，首先是根据具体情况建立裂纹的模型，并且将其全部导入到平台内，进行类型选择。然后是结合材料来选择合适的求解器，并且确定船舶结构模型。下一步是模型的提交与运算分析，可以应用到多个方面。最后是进行数据后处理，同时将仿真模型以模态图的方式直接显示出来。
5结语
船舶在长期行驶中容易受到海浪、洋流等冲击影响，应力集中、疲劳损坏等问题比较普遍存在，为了能够延长使用寿命，在进行设计与建造中应该综合分析疲劳强度，掌握断裂力学理论，应用Ansys软件实现有限元仿真，最终可以提高设计水平，满足船舶应用标准，也能够产生更高的综合效益。
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