客滾船車輛甲板疲勞強度評估

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(中國船級社 武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

承擔(dān)三峽庫區(qū)兩壩間汽車轉(zhuǎn)運的客滾船，其車輛甲板普遍發(fā)生局部裂紋或撕裂現(xiàn)象。在對損壞現(xiàn)場進行勘驗后認(rèn)為，車輛甲板的這種損壞很可能由疲勞引起。這類轉(zhuǎn)運客滾船每天在兩壩間航行達到4～5個航次，上下車頻率達到480～600車次，在裝卸車過程中會使甲板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的交變應(yīng)力。因此通過進行車輛甲板的疲勞分析，來評估其抗疲勞能力十分必要。

在對當(dāng)前各種疲勞分析方法進行研究后，制定出一種適用于車輛甲板疲勞強度的計算方法，該方法的特點有：①計算選用“標(biāo)準(zhǔn)疲勞車”； ②客滾船裝卸貨在港內(nèi)操作，不考慮波浪載荷的影響；③疲勞累積損傷用基于S-N曲線和Palmgren-Miner線性累積損傷理論的方法計算；④采用熱點應(yīng)力范圍校核，即采用與熱點應(yīng)力對應(yīng)的S-N曲線；⑤采用雨流法計算應(yīng)力范圍。

1 確定疲勞評估方法

客滾船車輛甲板疲勞損傷是由裝卸過程中移動的車載所產(chǎn)生的，而目前《船體結(jié)構(gòu)疲勞強度指南》[1]關(guān)于船體結(jié)構(gòu)的疲勞分析是基于交變的波浪載荷，因此傳統(tǒng)的船體結(jié)構(gòu)疲勞強度計算方法已不適用。

另一方面，雖然客滾船的車輛載荷具有車型和裝卸次數(shù)均不確定的特點，但與公路橋重車道相比，卻具有極大的相似性：①不同車型出現(xiàn)的概率基本相同；②疲勞均由車輛移動帶來的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化而產(chǎn)生；③公路橋與客滾船均為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以基于相同的S-N曲線和線性累積損傷理論進行評估。因此《鋼橋疲勞設(shè)計》[2]中關(guān)于疲勞評估的基本方法同樣適用于車輛甲板疲勞分析。參照《鋼橋疲勞設(shè)計》提出了適用于客滾船的車輛甲板疲勞評估方法[3-4]。

2 確定疲勞載荷

車輛甲板疲勞設(shè)計和疲勞剩余壽命的評估中不應(yīng)采用最不利情況的強度設(shè)計荷載，而應(yīng)采用疲勞荷載，即車輛甲板設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)實際承受的運營載荷的總和，來計算它們對車輛甲板的累積損傷。

車輛疲勞荷載應(yīng)按不同車輛荷載的大小及出現(xiàn)次數(shù)將其全部列出，即荷載譜，或稱荷載頻值譜。為應(yīng)用方便，在疲勞損傷累積等效原則下，疲勞設(shè)計和疲勞損傷評估中均采用標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛模型，即將各種不同車型轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模型來使用。參照《鋼橋疲勞設(shè)計》并結(jié)合內(nèi)河實船營運狀況，可確定“車輛甲板標(biāo)準(zhǔn)疲勞車”，其參數(shù)見圖1。其中14 t軸負(fù)荷與《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》[5]的規(guī)定一致。

圖1 車輛甲板標(biāo)準(zhǔn)疲勞車軸重布置

按同種車型頻次保持不變的原則，從《鋼橋疲勞設(shè)計》中以標(biāo)準(zhǔn)疲勞車的“車重kw-頻次kf”參數(shù)表，可推算得到車輛甲板標(biāo)準(zhǔn)疲勞車的“車重kw-頻次kf”參數(shù)，見表1。

其中kw按14 t軸負(fù)荷換算得到。

表1 車重kw-頻次kf

3 確定計算工況

船舶強框架間距一般為1.5～2.5 m，車輪載荷的影響線一般小于2.5 m，故選取兩前軸(或兩后軸)為典型加載形式。

選取強橫梁與甲板板連接部位進行熱點應(yīng)力計算，產(chǎn)生應(yīng)力極值時車輪和熱點相對位置，即為適用的計算工況，見表2。

表2 計算工況

4 疲勞累計損傷計算

根據(jù)Palmgren-Miner線性累積損傷理論，按以下步驟評估疲勞損傷度。

1)計算標(biāo)準(zhǔn)疲勞車在熱點處產(chǎn)生的應(yīng)力值(計算工況見表2)，并按照圖2畫出應(yīng)力歷程曲線。

圖2 強橫梁與甲板連接部位熱點應(yīng)力歷程曲線

2)按雨流法計算應(yīng)力歷程曲線中的應(yīng)力范圍S1和S2。

3)累積疲勞損傷度D按下述公式進行計算。

(1)

m——S-N曲線E曲線的反斜率，一般取3；

K——S-N曲線E曲線參數(shù)，取1.026×1012；

N——年裝卸頻次。

4) 結(jié)構(gòu)在設(shè)計壽命期間內(nèi)的累積損傷度D應(yīng)滿足D≤1.0的要求。

5 實例分析

5.1 選取的典型客滾船車輛甲板主要構(gòu)件尺寸

選取的典型客滾船車輛甲板的主要構(gòu)件尺寸如下(按32車計算)。

強構(gòu)件間距 1 500 mm

縱骨間距 345 mm

載車甲板厚度 8.0 mm

船底板厚度 8.0 mm

甲板縱骨 ∟90×56×8

船底龍骨 ⊥5×350/8×80

船底縱骨 ∟75×50×6

實肋板 ⊥5×350/8×80

甲板縱桁 ⊥6×350/10×100

5.2 計算模型

縱向取一個艙室的范圍，橫向取中縱艙壁至內(nèi)舷縱艙壁的范圍，垂向取整個型深范圍。模型中甲板、船底板用殼單元模擬，實肋板、縱桁及龍骨腹板用殼單元模擬，面板用梁單元模擬，縱骨用梁單元模擬，支柱和撐材用桿單元模擬。網(wǎng)格大小取300×500，精細網(wǎng)格大小取10×10。模型總圖見圖3。

圖3 計算模型

5.3 邊界條件

在模型范圍內(nèi)的橫艙壁和縱艙壁處采用簡支約束。

5.4 應(yīng)力范圍和壽命計算

在熱點附近受力構(gòu)件的表面上選取4個有限元單元，插值點處的最大主應(yīng)力σ應(yīng)根據(jù)所選有限元單元中心處的最大主應(yīng)力用拉格朗日插值法求得，計算結(jié)果見表3，應(yīng)力歷程曲線見圖4。

表3 熱點應(yīng)力計算結(jié)果

圖4 應(yīng)力歷程曲線

根據(jù)上述方法計算應(yīng)力范圍和壽命。

S1=110.08，S2=110.08-12.03=98.05。載車數(shù)為32車，假設(shè)平均日裝卸4次，則年裝卸頻次為42 240次，代入累計損傷度計算公式：

0.192 57×(110.083+98.053)×

66×42 240/1.026×1012=1.19

即假設(shè)年裝卸頻次為42 240次，該典型客滾船的車輛甲板疲勞強度不能滿足要求，疲勞壽命約為27.7年。

6 結(jié)論

1)客滾船車輛甲板的疲勞強度值得關(guān)注，強度不足時可能產(chǎn)生裂紋或撕裂，如川江轉(zhuǎn)運客滾船。

2)提高疲勞強度的最有效的方法是降低其應(yīng)力范圍，對于客滾船來說即降低應(yīng)力歷程中最大應(yīng)力值。加大車輛甲板板厚，減小縱骨間距，可較大程度降低該值。

3)檢驗方應(yīng)加強與跳板結(jié)構(gòu)相連的首部甲板結(jié)構(gòu)的檢驗，發(fā)現(xiàn)損傷及時修復(fù)或加強，避免損傷擴展。

[1] 中國船級社.船體結(jié)構(gòu)疲勞強度指南[S].北京:人民交通出版社, 2007.

[2] 錢冬生.鋼橋疲勞設(shè)計[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,1986.

[3] 詹志鵠，夏鴻祿.船舶縱向構(gòu)件疲勞評估的熱點應(yīng)力方法[J].船海工程，2007,36(4):15-19.

[4] 王然章.采用簡化方法的船體結(jié)構(gòu)疲勞強度校核[J].中國造船，1999 (2):59-68.

[5] 中國船級社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[S].北京:人民交通出版社, 2009.