李清泉
大连中远海运重工有限公司 大连中远 116113
摘要：疲劳破坏是船舶结构的主要破坏模式，也是船舶力学领域的研究热点。目前，实用的船舶结构疲劳评估主要各船级社给出的船舶结构疲劳评估方法也是采用这种方法。但是由于这种方法建立在光滑试件试验基础上，没有考虑材料缺陷（如表面划痕、金属夹杂、腐蚀坑、锻造缺陷等）造成各种类型裂纹对构件疲劳寿命的影响。而含有这种裂纹的构件在交变载荷作用下，即使载荷低于材料本身的疲劳强度极限，裂纹也会很快扩展而断裂，导致灾难性的破坏。
关键词：船体结构疲劳评估；设计波法；
船体结构疲劳分析的直接计算法能够确切地反映作用于船体上的波浪载荷特性。另外，由于直接计算法大多通过有限元分析得到结构的应力响应，所以这类方法能够更好地反映结构的细节。
一、设计波法
采用设计波法时, 实质的问题就是如何确定设计波的参数, 使得按它计算出来的船体应力范围能代表实际船体航行过程中一定超越概率水平的应力范围。正确的途径是通过船体波浪载荷的长期分析,得到规定超越概率水平或重现期的船体弯矩、扭矩等有代表性的主要载荷参数值, 然后选择典型的规则波, 使之产生与长期预报值相等的波浪载荷, 由此来确定设计计算所用的波浪参数。目前,世界各主要船级社已在其船舶结构直接计算中采用设计波法来对各种载荷分量进行组合, 但在如何选择和确定装载工况、设计波高、波长和航向角时, 各船级社的做法却不尽相同。根据设计波原理, 海浪及其诱导的船舶响应可以通过一个或几个主要的载荷参数来反映. 主要载荷参数指的是: 载荷影响、船体运动以及局部动力响应等, 考虑以其中的最有影响的参数来建立用于船体结构分析的计算载荷规范中考虑的主要载荷参数 有: 垂向波浪弯矩、垂向波浪剪力、水平波浪弯距、水平波浪剪力 、扭矩这5 个载荷控制参数幅频响应为最大值( 包括正负两个最大值) 的时刻取为计算瞬时提出的几个主要载荷参数为: 舯横剖面最大波浪诱导垂直弯矩、最大水平弯矩、最大扭矩、首柱最大垂向加速度、在船舯剖面附近板格的最大波动压力。需注意的是, DNV 提出的主要载荷控制参数对油轮、散货船和集装箱船等是一样的, 并没有针对于特定的船型提出特定的载荷控制参数，实际上, 主要载荷控制参数的选取与要考察的船体构件有关。对于船体, 存在很多的重要构件, 如甲板、横舱壁、外底板、内底板、纵桁、纵骨等. 根据某一载荷控制参数选定的设计波, 一般只能考察其中一部分构件在船舶寿命期内的受力状况. 例如, 迎浪航行时的中垂和中拱状态只能考察甲板、底部等部位构件的应力水平, 而对舷侧构件则作用不明显. 因此需要有效地选择多个典型的设计波, 才能全面地考察船体各个主要构件在航行过程中的可能恶劣海况下的应力水平。不同的载荷控制参数, 其考察的结构构件的侧重点是不同的. 一般情况下他们有一定的对应关系, 设计波系统的确定就是各主要载荷参数对应的设计波中各要素的确定。一般情况下, 确定设计波各要素的具体过程如下:设计波的频率和浪向在给定的工况下, 应用波浪载荷线性切片理论或三维方法计算船舶在单位规则波中的载荷和运动响应以及各载荷和运动响应的长期值. 计算中应考虑各个浪向和足够范围内的波频。根据选定工况的主要载荷控制参数, 对计算的该载荷参数的频率响应函数, 在浪向和波频范围内搜索, 其中幅频响应最大值对应的波向和波频。由于等效设计波是简谐变化的, 不同瞬时各载荷分量的组合是不同的, 因此在确定完设计波系统的各要素后, 要进一步给定计算瞬时。计算瞬时各载荷分量的组合原理可以概括为: 根据遭遇频率和主要载荷参数的相位角, 计算主要载荷参数达到最大值和最小值的瞬时时刻其余载荷分量的瞬时值。
二、船体结构疲劳评估的设计波法
1.疲劳载荷和疲劳应力。根据国外船级社的实践, 绝大部分简化疲劳强度校核方法所用的波浪外载荷幅值的长期预报都是由IACS统一规定推断而来的, 本文也采用了这一方法。波浪载荷成份分为船体梁遭受波浪产生的力矩、水平方向弯矩和扭矩、外部水动压力、内部惯性载荷和船舶运动所附加的静水压头。结构的疲劳主要与应力范围有关, 疲劳应力指的是船体结构内由波浪载荷引起的交变应力。设计应力分为总体应力和局部应力两部分。应力的合成包括将垂向弯曲应力、水平弯曲应力以及翘曲应力合成为总体应力, 和海水动压力与货物压力引起的两部分局部应力, 最后将总体应力与局部应力合成设计应力。对于每一工况, 分别计算由外压力和内压力引起的局部应力、由船体梁弯曲引起的总体应力, 然后进行合成总应力。一般取为主要载荷参数达到最大值( 可正可负) 的时刻,并且要同时规定此工况下的船舶受力状态( 垂向波浪弯矩是中垂还是中拱)否则, 问题的解答将是不唯一的。
2.设计波的选择。根据有关设计波选取方法的基本规定，进行波浪载荷的计算后可以得到设计波的具体参数。在实际的分析中，选取船舯波浪垂向弯矩和水平弯矩作为控制载荷，为了简化计算程序，用波浪垂向弯矩和水平弯矩的规范值代替了波浪载荷的长期分析值。由于波浪垂向弯矩和水平弯矩的规范值一般具有一定的比例关系，所以在选择设计波时也应该使这两个控制参数基本符合上述的比例关系。具体来说，在不同的浪向下，总可以找某个波浪使得到船舯的波浪弯矩和水平弯矩响应满足上面的比例关系*这样就确定了几个浪向和频率，如果再考虑到波长与船长的关系，就可以确定一个浪向和频率。以满载工况为这主要是由于在简化方法中，舷侧的内侧和内底的纵骨由于货物的作用，要承受很大的局部弯曲应力，而这种响应在设计波方法中却没有那么大3至于设计波法与谱分析方法的差别则主要是由波浪载荷的长期值之间的差别引起的。由于应力用有限元计算，所以疲劳评估的设计波方法能更好地反映结构细节，另外，用设计波载荷代替结构的载荷长期分析值，使结构分析的工况数大为减少3所以说，船舶结构疲劳评估的设计波法是一种实用性很强的疲劳评估方法。
3.校核节点处疲劳寿命。对于所选取目标船舯部货舱区域四处典型目标节点分别采用基于裂纹扩展理论方法下进行疲劳寿命校核所得的结果表明：基于裂纹扩展理论和基于方法所求得相同位置处的循环次数基本在同一个量级，但前者所得的结果明显要偏大一些，从这点上说明现行规范所使用的方法进行船体结构的疲劳寿命评估显得较为保守。应用对象是光滑无裂纹的理想构件，该构件从无裂纹到有裂纹需要时间较长，但一旦出现裂纹很快便破坏了，它没有把疲劳裂纹的发生与扩展区别开来，也没有揭示出疲劳裂纹扩展的各个阶段。而实际船体结构多为存在有初始裂纹的大型复杂结构，对于这些大型结构，裂纹的扩展在整个疲劳寿命中占有支配地位（约占整个疲劳寿命的90%，远大于疲劳寿命的萌生阶段）。基于裂纹扩展理论的疲劳评估方法以权函数法为基础，用无裂纹的三维有限元模型来模拟实际的有裂纹结构，首先确定裂纹的初始长度，再选择合理的断裂判据用以确定裂纹的临界尺寸，并在具体计算中充分考虑焊接工艺上通过渗碳渗氮等方法来给构件表面层引入残余压应力所降低的构件疲劳裂纹扩展率、所选材料参数的准确性以及部分焊趾处的应力集中影响等因素，尽可能真实地模拟出实际裂纹体的疲劳寿命，从而更好地服务于老龄船评估、钢板换新等工程应用。
针对我国船体结构疲劳强度预测和疲劳寿命评估, 疲劳校核评估理论和方法, 以及船体载荷、应力的简化计算方法。作为这一评估方法的具体应用, 完成了疲劳寿命评估。
参考文献：
1.库默, 等著[美]. 周洪范, 等译. 弹塑性断裂分析工程方法[M]. 北京: 国防工业出版社, 2018.
2.崔维成, 祁恩荣, 黄小平. 船舶结构强度预报/评估方法的现状和未来发展趋势[C]// 2017年船舶结构力学学术会议论文集. 中国造船工程学会, 中国舟山, 2018.