艦船大風(fēng)浪中縱向強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用

應(yīng)榮熔，王 驍，王菲菲，石愛國

(1.海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧大連116018;2.東北財經(jīng)大學(xué)圖書館，遼寧大連116018)

0 引言

艦體結(jié)構(gòu)在波浪中整體彎曲 (總縱彎曲、橫向彎曲)或扭轉(zhuǎn)破壞，是船舶結(jié)構(gòu)整體破壞的主要形式。艦船則由于船體細(xì)長，加上出于抗沉性的需要，橫向艙壁較密，因而其整體強(qiáng)度以總縱強(qiáng)度為主，很少考慮橫向強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。基于此，計算艦體在風(fēng)浪中的強(qiáng)度橫準(zhǔn)時，僅計算艦體總縱強(qiáng)度。同時，船舶在波浪中航行時，一直受到波浪力及船舶運動產(chǎn)生的慣性力作用，這些是不斷變化的動負(fù)荷，會引起船舶結(jié)構(gòu)內(nèi)部的交變應(yīng)力，造成疲勞損傷。海損事故分析表明，疲勞破壞是船體結(jié)構(gòu)另一重要破壞形式。為此，在強(qiáng)度計算中，還應(yīng)包括對艦船服役以來累計損傷度D的估計，以利于正確計算艦船的強(qiáng)度。

1 總縱強(qiáng)度衡準(zhǔn)數(shù)計算

1.1 計算艦船中橫剖面所受外力矩

艦船中橫剖面所受外力矩有靜浮力矩［1］、興波彎矩及波浪彎矩［2］，3種力矩的計算方法如下:

1)靜浮彎矩

式中:Cb為方形系數(shù);L為船長;B為船寬。

2)興波彎矩

式中:mx為X方向質(zhì)量;CW為水線面面積系數(shù)。

3)波浪彎矩

波浪平均截零周期［3］可按下式計算:

無因次截零周期計算方法為

表1 系數(shù)值表Tab.1 Coefficient numerical

4)總外力矩

艦船中縱剖面所受的總外力矩［1］為

式中:M為總外力矩;Mf為靜浮力矩;Mx為興波彎矩;MW為波浪彎矩。

1.2 計算艦船中橫剖面所能承受的極限彎矩

計算公式為

式中:σmax為合成許用應(yīng)力;W'0為考慮銹蝕度的剖面模數(shù)，用下式計算:

1.3 計算總縱強(qiáng)度橫準(zhǔn)數(shù)

按照下式計算總縱強(qiáng)度橫準(zhǔn)數(shù)［4］:

2 疲勞強(qiáng)度的累積損傷度計算

2.1 計算風(fēng)浪作用于船體產(chǎn)生的應(yīng)力范圍Si

1)計算艦船非規(guī)則波中的中橫剖面誘導(dǎo)彎矩

2)計算考慮銹蝕度的剖面模數(shù)采用式(9)計算

3)計算中橫剖面所受應(yīng)力

由中橫剖面受到的力矩和剖面模數(shù)可以計算中橫剖面受到的交變應(yīng)力［5］

2.2 確定S-N曲線

S-N曲線如圖1所示，表示某一類結(jié)構(gòu)節(jié)點所承受交變應(yīng)力范圍與應(yīng)變循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。節(jié)點的選擇，考慮到系縱骨 (船底、舷側(cè)、甲板及內(nèi)殼)與橫向強(qiáng)框架的連接部位 (見圖2)，本文選用F2曲線［6］。

根據(jù)F2曲線及Si(σi)值可得4種波高對應(yīng)的極限次數(shù)值Ni，或者通過下式計算Ni值:

式中:m為S-N曲線斜率，取值為3。

k取值見表2。

表2 S-N曲線k值取值表Tab.2 S-N bought k short-cut process

2.3 計算每一浪高對應(yīng)的實際循環(huán)次數(shù)值ni

式中:ki為艦船在某一浪高下的航行天數(shù);T0取1 min。

2.4 計算疲勞累計率D

3 計算流程

計算流程如圖3所示。

圖3 計算流程圖Fig.3 Computation flow graph

4 計算仿真

4.1 仿真計算內(nèi)容

1)艦船中橫剖面所受外力矩 (包括靜浮力矩、興波彎矩及波浪彎矩);

2)艦船中橫剖面所受極限力矩;

3)總縱強(qiáng)度橫準(zhǔn)數(shù);

4)中橫剖面所受交變應(yīng)力及所能承受的交變應(yīng)力極限次數(shù);

5)所受交變應(yīng)力實際次數(shù);

6)疲勞累計率。

4.2 仿真計算輸入

1)環(huán)境參數(shù)

2)從艦船最近的《船體銹蝕報告》中摘取:

①平板龍骨 腐耗量

②船底板 腐耗量

③船側(cè)板 腐耗量

④上甲板邊板 腐耗量

⑤上甲板 腐耗量

據(jù)此推算出船中剖面模數(shù)年腐耗百分?jǐn)?shù)為0.65。

3)航行經(jīng)歷

①在航年數(shù)10年;

②年均:中浪 (浪高1.25～2.5 m)航行天數(shù)80 d;大浪 (浪高2.5～4.0 m)航行天數(shù)30 d;巨浪 (浪高4.0～6.0 m)航行天數(shù)20 d;狂浪 (浪高＞6.0 m)航行天數(shù)5 d。

4.3 仿真計算輸出

1)中橫剖面外力矩

靜浮力矩:

2)艦船中橫剖面所受極限力矩

3)總縱強(qiáng)度橫準(zhǔn)數(shù)

4)中橫剖面所受交變應(yīng)力及所能承受的交變應(yīng)力極限次數(shù)

②剖面模數(shù)

選用圖2中的F2曲線得所承受的各交變應(yīng)力次數(shù)分別為:N1=1 110 435，N2=404 677，N3=190 403，N4=80 326。

5)所受交變應(yīng)力實際次數(shù)

由公式ni=ki×24×3 600/T0，可得所受交變應(yīng)力實際次數(shù)分別為:n1=172 800，n2=86 400，n3=43 200，n4=21 600。

6)疲勞累計率

5 結(jié)語

本文所采用的船舶大風(fēng)浪航行縱向強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)采用2個橫準(zhǔn)數(shù)進(jìn)行評價，即總縱強(qiáng)度橫準(zhǔn)數(shù)和疲勞累計率。為緊急情況下估算艦船的縱向總強(qiáng)度提供了既有一定精度又簡單易行的方法，仿真計算精度達(dá)到一般工程要求，為船舶大風(fēng)浪航行風(fēng)險評估提供了可靠的計算基礎(chǔ)。

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