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摘要：船舶结构的疲劳强度是衡量船体结构是否满足要求的重要指标之一。多年来，各国学者的实船研究充分说明，船舶的疲劳是船舶设计和航行管理不可忽视的重要问题。长期以来，船舶疲劳强度的不足不仅造成船舶维修的巨大耗资，而且是船舶破损沉没的重要原因之一。多年以来，如何准确对大型船舶结构的疲劳寿命进行预报、确保船舶结构航行安全可靠，一直是各国造船界所关注的热点问题。
关键词：船体结构，疲劳评估，设计波法，分析研究
1设计波法的基本原理
1.1设计波的概念
在船舶工程中，各载荷分量之间的组合，是一个比较复杂的问题，曾经有不少学者做过相关的论述。比如加拿大学者Turkstra提出的组合规则是：组合载荷的最大值出现在可变载荷中的一个达到使用期中的最大值，而其他的可变载荷采用相应的瞬时值。船舶工程中的设计波法即是基于Turkstra原则提出的。考虑船舶结构遭受的各种可变载荷（如垂向弯矩，水平弯矩，垂向剪力，水平剪力等），当其中某一主要载荷（控制载荷参数）达到最大值时，其他载荷取为相应的瞬时值。设计波法的关键在于如何合理地确定以控制载荷为基础的规则波的各个参数（包括波幅、浪向、频率等），使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对应一定超越概率水平的应力或应力范围。
1.2控制载荷参数
海浪诱导的船体结构响应可以通过1个或几个主要的控制载荷参数来反映。主要控制载荷参数一般有：总体载荷影响包括垂向弯矩VBM、垂向剪力VSF、水平弯矩HBM、水平剪力HSF、扭矩TM等；运动以及局部动力响应包括首部的垂向加速度、重心处的垂向加速度、重心处的纵向加速度、船舯板格处最大波动压力等。选择哪些控制载荷参数，主要取决于具体结构受力特点及结构的应力响应特点。
1.3设计波各要素的确定
根据结构受力特点及结构的应力响应，确定控制载荷参数以后，为了得到具体的控制载荷参数的最大值及其他载荷成分的瞬时值，还需进一步确定设计波的浪向、频率、波幅、相位等，具体的过程如下：
1）频率和浪向
选定控制载荷参数，应用三维波浪载荷程序计算船舶在指定工况下各个控制载荷参数于不同浪向下的频率响应函数，及控制载荷参数的长期值。在浪向和波频范围内搜索，其中控制载荷参数的幅频响应最大值对应的浪向和频率即为由该控制载荷参数出发的设计波的浪向β和频率w，由此得到该设计波的波长为
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式中：g为重力加速度。
2）设计波的波幅
设计波波幅
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用下式确定：
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3）相位
由于相位的影响．不同瞬时设计波对应的各载荷成分的组合足不同的，因此在确定设计波的各要素后，要进一步根据控制载荷参数的相位，选定某一计算瞬时，使其对应着选定的主要载荷参数达到最大值的时刻。
综上所述，确定设计渡的流程为：选定装载工况一确定控制载荷参数一计算控制载荷参数的频响函数一计算控制载荷参数的长期值一确定设计波各要素一给出设计波下各载荷成分的计算值。
2疲劳累积损伤
2.1设计波中的应力响应计算
按疲劳评估设计波法的过程，在设计波参数（航向角
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、圆频率
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、波幅
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）确定后，需要用有限元技术计算船体结构的应力响应。基本过程是，首先用波浪载荷计算程序得到船舶在航向角为
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，圆频率为G 的规则波中的船体运动以及外部水动压力的响应.将外部水动压力和与船体运动有关的各种惯性力施加到船体结构有限元模型上，得到应力响应.实际计算中，直接输入的是船舶在单位波幅规则波中的运动响应和动压力的值，所以计算结果是单位波幅对应的应力响应值。
按上述思路进行计算，所面临的主要问题是，在波浪中结构的载荷及响应相当复杂，尤其是各载荷相位的影响，使得不能直接判断出在一个波浪周期内，结构应力响应峰值出现的时刻。处理方法一般有 2 种：一是在一个波浪周期内按照一定的时间步长间隔求得一系列的解，从而找到应力响应的峰值；二是对于线性系统，可利用响应复数振幅的概念，通过分解与组合响应的实部和虚部来得到响应的幅值。
2.2应力范围的长期分布
按照 DNV 疲劳评估设计波法，设计寿命期应力范围的长期分布定义为 Weibull 分布，其分布函数为
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式中：形状参数 h 一般是根据结构所处的海洋环境、结构类型及响应特性以及构件在整个结构中的位置等因素来确定.到目前的研究结果表明，形状参数的数值一般是在 0.7-1.3。通常是用某一海况资料对一批船舶进行疲劳载荷的长期分析，然后按Weibull 分布对结果进行拟合，从而得到参数的值。作为精确计算的替代，可利用规范中给出的估算公式。
在形状参数值 h 已知的情况下，尺度参数q可用回复期内疲劳载荷长期分析得到的对应某一超越概率的应力范围表示。通常是用超越概率为 P（S >SL）=1/ NL 的应力范围SL来表示。
其含义是，在该回复期内的全部NL次应力范围循环中，大于SL的应力范围仅可能出现一次。
2.3多控制载荷的设计波方法研究
由本章对设计波法原理的介绍可知，在每次确定设计波系统时，一般从一个控制载荷参数出发来确定设计波系统，所以在此种方法中只能找到一种控制载荷参数（垂向弯矩或者水平弯矩等）占主导作用下的设计波系统。就是说，一个确定的设计波，只能考虑一种控制载荷占主导地位的载荷组合。由于船舶结构的复杂性，船舶内部的某一焊接结构局部的疲劳应力状态必然也是多种成分的载荷共同作用的结果。多数结构并不能仅通过简单的理论分析就确定出对其疲劳现象影响最大的载荷参数，也就不能得到最恰当的设计波。所以学者们普遍认为在对船舶结构进行疲劳评估时，仅考虑一种设计波所代表的载荷组合方式是不够周全的。
为了考虑多种载荷成分的综合作用，找到对不同部位的结构进行疲劳分析时，结构各自所对应的最恰当的载荷组合方式，本文在对疲劳评估的设计波法进行研究时，采用了一种全新方法，其主要思路如下：
1）按谱分析方法对若干条船进行结构疲劳评估，得到相对准确的疲劳损伤和疲劳寿命；
2）选取对结构疲劳有明显贡献的多种载荷，分别把每一种载荷作为寻找设计波的控制载荷，确定其对应的设计波参数和设计波系统；
3）计算船舶在每一个设计波作用下其内部疲劳节点的响应，并依据得到的应力范围计算出节点的疲劳损伤和疲劳寿命；
4）把谱分析法得到的疲劳损伤和寿命作为目标值，对谱分析法中多个控制载荷主导作用下得到得多个疲劳损伤值进行拟合。
5）也可由谱分析方法得到的疲劳损伤结果进行反推，找到使船体结构产生与谱分析方法相同的损伤所应达到的应力范围，用这个应力范围作为目标值，对各个不同的设计波所对应的应力范围进行拟合。
3结语
采用设计波法进行船舶结构疲劳强度计算的流程和细节都比较明确，但对实际结构承受的诸多载荷中，哪一种或哪几种载荷成分对构件的疲劳应力的影响占据主导地位，如何选用疲劳分析对应的控制载荷，尚需姚进一步研究。笔者认为采用设计波法进行疲劳计算时，正确的做法应该是在同一个构件处选择多个控制载荷参数，确定出多个典型的设计波，并使不同载荷参数的设计波在不同的结构和构件处各自具有不同的影响程度，才能较为全面的计及各种载荷对船体各个主要构件的疲劳损伤贡献。
参考文献：
[1]冯国庆.船舶结构疲劳强度评估方法研究[D].哈尔滨工程大学，2006.
[2]刘冬平.船体结构疲劳强度评估非线性设计波法[D].哈尔滨工程大学，2012.
（作者简介：姓名：芮营营，性别：女，出生年月：1982.01，民族：汉，籍贯：江苏省，学历：本科，职称：工程师，研究方向：船舶船体详细设计）