基于理論角度的船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度剖析

張勁松

（中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433）

船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度問題長期困擾著船舶建造設(shè)計人員，作為船舶安全的重要影響因素之一，通過科學(xué)的手段檢測船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度能夠有效避免因材料與工藝設(shè)計方面導(dǎo)致的船舶結(jié)構(gòu)安全問題發(fā)生。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度測算手段更加豐富，相關(guān)算法日益完善。

1 船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度測算方法概述

在船舶建結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，目前使用較為廣泛的疲勞強度測算方法主要包括回應(yīng)譜測算法、切片測算法等，具體內(nèi)容如下所述。

1.1 回應(yīng)譜測算法

回應(yīng)譜測算法的核心在于運用有限元分析技術(shù)，對船舶設(shè)計過程中對應(yīng)結(jié)構(gòu)處的受力情況繼續(xù)疲勞損壞水平進行推算。設(shè)計人員利用專業(yè)軟件繪制目標艙段與結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合有限元分析軟件選擇對應(yīng)艙段中不同位置的材料、工藝等，實現(xiàn)局部載重作用力回應(yīng)曲線計算，實現(xiàn)對船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度的短期監(jiān)測，為船舶建造與檢修提供科學(xué)的依據(jù)。

1.2 切片測算法

所謂切片測算法，是指根據(jù)不同船型在實際航行過程中船體、載重、海況等相關(guān)因素綜合考慮下的船體結(jié)構(gòu)疲勞強度測算方法，其基本理論是平面流假設(shè)法。在使用切片測算法的過程中，需要對船身的橫剖面等同于無限長柱面結(jié)構(gòu)，將三維空間內(nèi)的流體力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為二維空間內(nèi)的流體力學(xué)分析，通過三個不同剖面的分析結(jié)果，對船舶航行過程中的升沉、橫搖、縱搖導(dǎo)致的波浪載重與船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度損壞情況進行評估。

2 船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度分析方法的具體應(yīng)用

從實際角度分析，導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度損害的因素是多方面的，以常見的裂紋為例，由此造成的船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度變化包括宏觀與微觀兩個層面。首先，大量裂紋在同一分段結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用將形成不同規(guī)模的“宏觀裂紋”，隨著“宏觀裂紋”規(guī)模的不斷擴大，所引起的船舶結(jié)構(gòu)疲勞損壞程度將進一步升級，甚至造成結(jié)構(gòu)件的斷裂；其次，微觀層面上的材料裂紋是一個較為復(fù)雜的問題，需要經(jīng)過科學(xué)的理論分析和建模仿真才能夠更加全面的展示船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度的變化曲線，具體方法包括S-N曲線法與Mine線性疲勞累積算法。

2.1 S-N曲線法

相比較其他船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度分析理論與方法來說，S-N曲線法主要適用于船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度損壞分析的初始階段，然而，隨著“宏觀裂紋”概念在船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度分析中的普及，S-N曲線法已經(jīng)應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)的“全周期”疲勞損耗水平推算。然而，這里需要注意的是，S-N曲線法的使用前提是結(jié)構(gòu)材料與工藝所導(dǎo)致的裂紋并不會受外部因素影響而消失，并隨著時間的推移逐步接近臨界值。

在S-N曲線法的實際使用過程中，其主要手段包括一般名義應(yīng)立法、熱點應(yīng)立法、切口應(yīng)法，通過對應(yīng)方法分析的數(shù)據(jù)，可繪制船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度S-N曲線，實現(xiàn)全周期結(jié)構(gòu)疲勞強度的科學(xué)預(yù)測。然而，由于分析方法的不同，其優(yōu)缺點也較為明顯，具體如表1所示：

表1 S-N曲線法的優(yōu)缺點分析

2.2 Mine線性疲勞累積算法

在船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度分析方面，除S-N曲線法以外，Mine線性疲勞累積算法的應(yīng)用同樣較為廣泛，其側(cè)重于船舶實際使用過程中的結(jié)構(gòu)疲勞強度損耗的持續(xù)性估算，即從理論角度認定船舶結(jié)構(gòu)強度疲勞損傷是一種線性相加的關(guān)系，對應(yīng)公式如下所示：

其中，n1、n2為對應(yīng)載荷S1、S2的計算損傷周期（以7天為一個周期），N1、N2為對應(yīng)載荷S1、S2的臨界損傷周期數(shù)。

3 船舶建造中鋼結(jié)構(gòu)的疲勞特征分析

作為船舶建造過程中使用量最大的材料，關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的疲勞分析重點在開孔、焊接兩個工藝施工點位，且具有的疲勞特征也存在著較大差異。

3.1 隨機載荷變化下的鋼結(jié)構(gòu)疲勞特征

對于相同鋼結(jié)構(gòu)工藝施工點位來說，隨機載荷變化帶來的鋼結(jié)構(gòu)疲勞損壞水平變化特征如圖1所示。

圖1 10萬噸級遠洋貨船隨機載荷下的鋼結(jié)構(gòu)疲勞損耗示意圖（3級海況）

由圖1可以看出，隨著載荷的不斷增加，在載荷40%～80%鋼結(jié)構(gòu)損耗值顯著變化，在船舶設(shè)計與使用過程中需要特別關(guān)注對應(yīng)載荷下的船舶結(jié)構(gòu)疲勞損耗水平，避免出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)失效帶來的各種危險。

3.2 海況等級變化下的鋼結(jié)構(gòu)疲勞特征

海上環(huán)境變化多端，船舶鋼結(jié)構(gòu)疲勞強度損耗情況與海況等級有著一定的相關(guān)性，假設(shè)船舶載荷相同，且航行操作方式一致，則不同海況下的鋼結(jié)構(gòu)疲勞強度損耗如圖2所示。

圖2 不同海況下的鋼結(jié)構(gòu)疲勞強度損耗水平（10萬噸級遠洋船）

隨著海況等級的不斷增加，鋼結(jié)構(gòu)疲勞強度損耗水平并未呈現(xiàn)出線性增加的關(guān)系，尤其是在高海況（≥五級）的情況下，對應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)疲勞強度損耗的增加值在不斷減小。但是，這里需要注意的是，在同一海況下，航向、航速等相關(guān)因素的變化會在一定程度上引起鋼結(jié)構(gòu)疲勞強度損耗的不同。

4 結(jié)語

船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度主要是指鋼結(jié)構(gòu)在不同情況下的疲勞強度損耗水平，盡管，以S-N曲線法與Mine線性疲勞累積算法為代表的船舶疲勞強度損耗強度計算方法得到了較為廣泛的應(yīng)用，但是，由于數(shù)據(jù)誤差等不確定因素的存在，依然需要根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)變化的實際情況進行疲勞強度判斷，避免單一分析手段導(dǎo)致的安全問題發(fā)生。