基于HCSR的熱點(diǎn)應(yīng)力插值方法研究

，， ，

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶與海洋工程力學(xué)研究所,哈爾濱 150001)

由于工作環(huán)境的原因，疲勞破壞是船舶結(jié)構(gòu)破壞的主要破壞形式之一。各船級(jí)社的疲勞損傷計(jì)算方法以及現(xiàn)有的直接計(jì)算法，均基于Miner線性疲勞損傷理論。由于船體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，常常不能在已有的S-N曲線中找到可直接比擬的類型，此時(shí)需要采用熱點(diǎn)應(yīng)力法來進(jìn)行這些部位的疲勞評(píng)估。熱點(diǎn)處的應(yīng)力一般采用插值方法進(jìn)行計(jì)算，由于熱點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力梯度比較大，不同的插值方式求得的熱點(diǎn)應(yīng)力值會(huì)不一樣，而且可能會(huì)有很大的差別，對(duì)疲勞損傷產(chǎn)生很大影響。新公布的《散貨船、油船協(xié)調(diào)共同規(guī)范》(HCSR)中對(duì)應(yīng)力插值方式做了更細(xì)致的要求。本文將對(duì)已知的一些插值方法，包括JIP FPSO 、OSAWA、CSR-OT、CSR-BC、DNV、HCSR(2012-07月版本和12月版本)方法以及實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究比較，驗(yàn)證HCSR插值方式的合理性。

1 熱點(diǎn)應(yīng)力插值方法簡(jiǎn)介

1)JIP FPSO_A方法。JIP FPSO_A代表一般方法，應(yīng)力閱讀點(diǎn)取兩個(gè)點(diǎn)(0.5 t和1.5 t)，利用表面應(yīng)力線性外插到熱點(diǎn)處，選取±45°范圍內(nèi)的主應(yīng)力。

2)JIP FPSO_B方法。代表簡(jiǎn)化方法，應(yīng)力閱讀點(diǎn)只取一個(gè)點(diǎn)(0.5 t)[1]。

3)DNV方法。對(duì)于一般熱點(diǎn)采用插值方式同JIP FPS_A方法。對(duì)于十字相交位置，插值方式是DNV CN30.7 Method (Lotsberg方法)。應(yīng)力閱讀點(diǎn)為

式中：xwt——焊腳長(zhǎng)度。

熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算方法為

σhotspot=[σmembrane(xshift)+σbending(xshift)]×0.6β

(1)

式中：σmembrane(xshift)——偏移位置的中面應(yīng)力；

σbending(xshift)——偏移位置的彎曲應(yīng)力；

β——修正因子[2]。

4)CSR_OT方法。熱點(diǎn)應(yīng)力位于

其中：xwt——焊腳長(zhǎng)[3]。

5)CSR_BC方法。一般熱點(diǎn)插值方式同JIP FPSO_A，散貨船的加強(qiáng)板十字連接是在JIP FPSO_A方法基礎(chǔ)上加一個(gè)修正系數(shù)λ[4]。

6)HCSR方法。對(duì)于一般熱點(diǎn)，應(yīng)力參考點(diǎn)取為據(jù)熱點(diǎn)t1/2處，對(duì)于十字相交位置與DNV方法一樣，只是β系數(shù)不一樣。應(yīng)力閱讀點(diǎn)為

熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算方法為

σhotspot=[σmembrane(xshift)+σbending(xshift)]×0.6β

(2)

HCSR 07月版本和12月版本的應(yīng)力讀取差別如下。

7月版本應(yīng)力讀取方式見圖1，選取線A-A兩邊的單元分別計(jì)算；12月版本的規(guī)范規(guī)定應(yīng)力讀取方法見圖2，選取線A-A兩端單元應(yīng)力的平均值作為應(yīng)力閱讀點(diǎn)的應(yīng)力。

圖1 7月版本規(guī)范應(yīng)力讀取方式

圖2 12月版本規(guī)范應(yīng)力讀取方式

7)OSAWA方法。該方法的關(guān)鍵點(diǎn)在于應(yīng)力閱讀點(diǎn)，應(yīng)力閱讀點(diǎn)仍然取0.5 t和1.5 t，但是從偏離結(jié)構(gòu)交線的修正點(diǎn)開始計(jì)算。

應(yīng)力閱讀點(diǎn)為

(3)

式中：th——熱點(diǎn)區(qū)域主板厚度，偏移值Δ為：

(4)

符號(hào)代表含義見圖3。

圖3 參數(shù)示意

等價(jià)于實(shí)體單元應(yīng)力殼元修正應(yīng)力計(jì)算,在加強(qiáng)板十字連接的地方需要修正，對(duì)于一般細(xì)部，跳過此步驟。

2 插值方式的研究

2.1 研究思路

1)針對(duì)兩種不同的結(jié)構(gòu)形式(十字相交和焊趾結(jié)構(gòu))建立簡(jiǎn)化模型(包括實(shí)體和殼體兩種類型)，施加兩種不同的載荷(集中力220 N，面壓力0.2 MPa)，應(yīng)用多種不同的插值方式進(jìn)行計(jì)算并以實(shí)體單元計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)進(jìn)行比較。

2)選擇一艘散貨船和一艘油船，根據(jù)HCSR的疲勞載荷規(guī)定進(jìn)行加載分析，對(duì)油船底邊艙下折角，散貨船肋板焊趾處和底邊艙下折角，分別對(duì)不同的裝載模式下的典型設(shè)計(jì)波結(jié)果進(jìn)行提取，所選設(shè)計(jì)波見表1。

表1 所選用的設(shè)計(jì)波

計(jì)算多種插值方式的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行對(duì)比分析，最后對(duì)DNV方法、HCSR07月版方法、HCSR12月版方法，以CSR為基準(zhǔn)，統(tǒng)一到D級(jí)S-N曲線上進(jìn)行插值方式的比較。

2.2 選取模型

兩種簡(jiǎn)化模型及載荷狀態(tài)見圖4、5，所選實(shí)船模型見圖6。

圖4 焊趾結(jié)構(gòu)模型及受力示意

圖5 十字相交模型及受力示意

圖6 熱點(diǎn)位置

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 簡(jiǎn)化模型計(jì)算結(jié)果

十字相交結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果見表2，焊趾結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果見表3，簡(jiǎn)化模型焊趾長(zhǎng)度均取5 mm，應(yīng)力單位均為MPa。

表2 十字相交結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

表3 焊趾結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于十字相交位置，各計(jì)算方法差別很大。HCSR方法計(jì)算結(jié)果小于實(shí)體單元計(jì)算結(jié)果，并且計(jì)算結(jié)果低于實(shí)體計(jì)算結(jié)果約15%；對(duì)于CSR-OT、DNV方法其計(jì)算結(jié)果均與實(shí)體計(jì)算結(jié)果最為接近；由于HCSR(7月版)方法、DNV方法對(duì)應(yīng)力閱讀點(diǎn)定義偏移距離增加了焊趾寬度，所以應(yīng)力計(jì)算結(jié)果偏小；JIP FPSO_A和JIP FPSO_B是針對(duì)一般熱點(diǎn)區(qū)域的插值方式計(jì)算的結(jié)果，高于實(shí)體計(jì)算結(jié)果，是最為保守的計(jì)算方法。

對(duì)于一般焊趾結(jié)構(gòu)，由于HCSR(7月版)、OSAWA與JIP FPSO_B方法計(jì)算結(jié)果一致，DNV方法與JIP FPSO_A計(jì)算結(jié)果一致；HCSR(12月版)在承受集中力時(shí)計(jì)算結(jié)果略小于實(shí)體外，其它計(jì)算結(jié)果均大于實(shí)體單元,且HCSR方法計(jì)算結(jié)果與實(shí)體最為接近。對(duì)于兩個(gè)版本的HCSR方法，在簡(jiǎn)單受力狀態(tài)下，12月版本計(jì)算結(jié)果要小于7月版。

3.2 實(shí)船計(jì)算結(jié)果

3.2.1 油船計(jì)算結(jié)果

油船滿載模式下的計(jì)算結(jié)果以及與CSR-OT的比值見表4、5，油船正常壓載模式下的計(jì)算結(jié)果以及與CSR-OT的比值見表6、7，焊趾長(zhǎng)度均取為10 mm。以下計(jì)算結(jié)果均為與焊縫垂直線±45°范圍內(nèi)的主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，而且均為兩主應(yīng)力中的較大者，單位均為MPa。

表4 滿載模式下插值計(jì)算結(jié)果

表5 滿載模式下計(jì)算結(jié)果與CSR比值

表6 正常壓載模式下插值計(jì)算結(jié)果

表7 正常壓載模式下計(jì)算結(jié)果與CSR比值

通過比較發(fā)現(xiàn)，對(duì)于油船十字相交結(jié)構(gòu)，JIP FPSO_A、JIP FPSO_B以及OSAWA方法計(jì)算結(jié)果與CSR相比計(jì)算結(jié)果較大，這與上一節(jié)簡(jiǎn)單模型計(jì)算結(jié)果相符合；其中JIP FPSO_A計(jì)算結(jié)果超過CSR方法0.8倍，而對(duì)于DNV、HCSR方法計(jì)算結(jié)果要小于CSR方法，其中DNV方法更加接近CSR方法，而HCSR方法要小10%。

3.2.2 散貨船計(jì)算結(jié)果

散貨船肋板趾端在4個(gè)裝載模式下的計(jì)算結(jié)果見表8，底邊艙下折角結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果以及比值見表9。其它插值方法與CSR比值的平均結(jié)果見表10。以下計(jì)算結(jié)果均為與焊縫垂直線±45度范圍內(nèi)的主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，且大部分為主應(yīng)力中的較大者，其中十字相交結(jié)構(gòu)均勻裝載模式為±45°范圍外的主應(yīng)力比較大。

表8 焊趾結(jié)構(gòu)4個(gè)裝載模式下計(jì)算結(jié)果

對(duì)比計(jì)算數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于散貨船焊趾結(jié)構(gòu)，由于計(jì)算方法的相同性，JIP FPSO_A、DNV以及CSR方法的計(jì)算結(jié)果相同；其它插值方式總體小于焊趾結(jié)構(gòu)，個(gè)別工況下比CSR計(jì)算結(jié)果偏大，其中OSAWA方法與其結(jié)果比較接近，而HCSR的兩種計(jì)算方法比CSR方法計(jì)算要小超過10%。對(duì)于十字相交結(jié)構(gòu)，JIP FPSO_B方法和OSAWA方法計(jì)算結(jié)果相對(duì)比較接近CSR方法，而JIP PFSO_A方法要超過CSR方法25%，而DNV和HCSR方法計(jì)算結(jié)果要小于CSR方法，且差別較大。

3.3 統(tǒng)一到D級(jí)S-N曲線后的結(jié)果

由于特定的插值方法跟特定的S-N曲線對(duì)應(yīng)，所以單純主應(yīng)力比較不能反映插值對(duì)疲勞的影響，本節(jié)將對(duì)DNV方法、HCSR方法(分為7月版和12月版)、實(shí)體插值方法(IIW方法)統(tǒng)一到D級(jí)S-N曲線進(jìn)行比較。表11為將一組S-N曲線統(tǒng)一到D級(jí)S-N曲線上的類型系數(shù)[6]。表12為油船底邊艙下折角統(tǒng)一到D級(jí)S-N曲線后結(jié)果，表13為散貨船熱點(diǎn)類型統(tǒng)一到D級(jí)S-N曲線后的結(jié)果。

表11 類型系數(shù)

注：HCSR統(tǒng)一到D曲線選用系數(shù)為1.12。

表12 油船十字相交結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

表13 散貨船兩種結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

統(tǒng)一到D級(jí)S-N曲線后，計(jì)算結(jié)果顯示HCSR方法要高于DNV方法，但是計(jì)算結(jié)果要小于CSR方法，2012-07月版本結(jié)果要更接近于CSR方法；對(duì)于油船兩個(gè)版本的HCSR方法計(jì)算結(jié)果相差很小，但是各個(gè)裝載模式下各個(gè)設(shè)計(jì)波計(jì)算結(jié)果顯示2012-12月版本計(jì)算結(jié)果要小于2012-07月版本；而對(duì)于散貨船，從各個(gè)裝載模式及工況下2012-12月版本計(jì)算結(jié)果要小于2012-07月版本，但是兩者計(jì)算結(jié)果偏差較大，對(duì)于焊趾類型，平均計(jì)算結(jié)果12月版本要小9.56%，十字相交結(jié)構(gòu)要小5.90%。

4 結(jié)論

1)通過簡(jiǎn)單模型計(jì)算結(jié)果看出，JIP FPSO_A、JIP FPSO_B計(jì)算結(jié)果與其它插值方式差別較大，而各個(gè)船級(jí)社方法差別不大，尤其是當(dāng)統(tǒng)一到一條S-N曲線后結(jié)果更為接近；船級(jí)社規(guī)范插值方法尤其是HCSR方法與實(shí)體單元計(jì)算結(jié)果更為接近。

2)實(shí)船計(jì)算結(jié)果與簡(jiǎn)單模型計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)一致，HCSR方法計(jì)算結(jié)果均小于CSR方法，平均小18%，而且統(tǒng)一到一條S-N曲線后結(jié)果比較接近，但是結(jié)果仍小于CSR方法，平均小8.6%，所以舊的規(guī)范法方法更保守。

3)對(duì)于簡(jiǎn)單模型，兩個(gè)版本的HCSR方法差別較大，但是對(duì)于復(fù)雜受力狀態(tài)的實(shí)際船舶來說，兩者計(jì)算結(jié)果差別不大，HCSR2012-12月版本計(jì)算結(jié)果均小于7月版本，平均小5.5%。

4)對(duì)于JIP FPSO_B方法以及OSAWA方法，對(duì)于十字相交結(jié)構(gòu)其計(jì)算結(jié)果高于CSR方法，而焊趾結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果要小于CSR 方法；而DNV方法與HCSR方法計(jì)算結(jié)果比較接近。

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