某船關鍵結構典型節(jié)點疲勞壽命分析方法研究

朱雨生，曹俊偉

（1.中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000；2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064）

1 引言

近年來，海上執(zhí)行任務越來越頻繁，任務周期越來越長。海上波浪復雜多變，船舶在海上航行，在復雜海況下船體結構也隨之產(chǎn)生交變響應。在交變載荷作用下，關鍵結構中應變應力較大的典型節(jié)點易發(fā)生疲勞問題。

針對船體結構典型節(jié)點疲勞強度問題，學者們開展了一系列研究。楊永祥等采用熱點應力法對某一巴拿馬型成品油輪疲勞熱點位置處（內(nèi)底與底邊艙斜板的焊接折角）的疲勞應力進行了計算，并根據(jù)JTP 規(guī)范對熱點位置的疲勞壽命進行了評估。范云等CSR 規(guī)范中的油船疲勞強度有限元分析的要求，采用直接計算的方法分析不同的節(jié)點形式對疲勞損傷的影響。本文針對某船的結構特點，確定了船體結構的危險剖面和典型節(jié)點評估位置。主要典型節(jié)點位于中部底邊艙斜板與內(nèi)底板的連接折角處、底邊艙斜板與內(nèi)舷板的連接折角處、甲板與槽形艙壁的連接處、內(nèi)底板與槽形艙壁連接處，依據(jù)《船體結構疲勞強度指南》（2021），選取船體中部區(qū)域5 種典型節(jié)點對該船進行疲勞壽命評估。

2 總體介紹

2.1 船型介紹

本論文的對象船的船長77.8m，船寬14.8m，型深6.10m，吃水為4.7m。

2.2 計算工況

按照《船體結構疲勞強度指南》（2021）的規(guī)定，按規(guī)范初步核算下列工況：滿載出港工況；空載到港工況。在計算波浪彎矩時取波峰或波谷在船中狀態(tài)，對應中拱和中垂兩種工況。兩種工況裝載情況如表1所示。

表1 作業(yè)工況組合表

2.3 計算載荷

依據(jù)規(guī)范載荷包括以下項目：垂向彎矩；舷外水壓力；貨物壓力及液體壓力，見圖1和圖2所示。

圖1 舷外水壓力加載圖

圖2 貨物壓力及液體壓力加載圖

2.4 邊界條件

3 疲勞評估公式

3.1 熱點應力計算

在船舶與海洋工程領域，世界各大船級社（DNV，CCS 等）基本都推薦采用t×t 的網(wǎng)格尺寸，取距焊趾0.5t和1.5t 處為計算參考點。在從有限元模型中提取熱點應力后，進行插值，即由t/2 和3t/2 處的最大主應力外插得到焊趾（熱點）處的應力，熱點應力按公式（1）計算得到。

3.2 疲勞壽命評估方法

根據(jù)《船體結構疲勞強度指南》（2021），疲勞壽命評估按照下述方法進行計算。

結構節(jié)點在工況“（k）”時的累積損傷度Dk 應按下式計算：

S-N 曲線選用規(guī)范中CCS-C 曲線和CCS-D 曲線。K 和S取值見表2。

表2 K 和Sq 取值表

4 疲勞評估結果

4.1 評估疲勞熱點

如圖3（a）是中部51#肋位船底縱骨細化具體位置示意圖，（b）中部51#肋位船底縱骨滿載中垂應力云圖對比圖。

圖3 51#底邊艙斜板與內(nèi)底板的連接折角處細化及其應力

如圖4（a）是2 號和3 號貨艙51#中間艙口角隅細化具體位置示意圖，（b）2 號和3 號貨艙51#中間艙口角隅滿載中垂應力云圖對比圖。

圖4 51#貨艙中間艙口角隅細化及第一主應力

如圖5（a）是中部60#肋位內(nèi)舷側與內(nèi)底相交處細化具體位置示意圖，（b）中部60#肋位內(nèi)舷側與內(nèi)底相交處滿載中垂應力云圖對比圖。

圖5 60#內(nèi)底板與槽型橫艙壁連接處細化及其應力

如圖6（a）是中部76#槽型艙壁與縱桁相交處細化具體位置示意圖，（b）中部76#槽型艙壁與縱桁相交處滿載中垂應力云圖對比圖。

圖6 76#槽型艙壁與主甲板連接處細化及其應力

如圖7（a）是80#強框架與主甲板和縱艙壁交接處細化具體位置示意圖，（b）是80#強框架與主甲板和縱艙壁交接處滿載中垂應力云圖對比圖。

圖7 80#強框架與主甲板和縱艙壁交接處細化及其應力

5 結論

針對某船的結構特點，確定了船體結構的危險剖面和典型節(jié)點評估位置；依據(jù)規(guī)范，選取船體中部區(qū)域5種典型節(jié)點對該船進行疲勞壽命評估。疲勞壽命評估結果如下：

表3 典型節(jié)點疲勞評估結果

綜上所述，得到如下結論：

（1）經(jīng)過計算，典型節(jié)點1、2 和3 在滿載和壓載工況的熱點應力最大值介于（80～110）MPa，但是對應的設計應力范圍較小，評估得到的疲勞壽命遠超過設計壽命30年；典型節(jié)點4 和5 在滿載和壓載工況的熱點應力最大值介于（110～130）MPa，對應的設計應力范圍最大值介于（40～50）MPa，評估得到的疲勞壽命介于（200～300）年，滿足設計壽命30年的要求。

（2）通過對某船進行有限元計算及典型節(jié)點的疲勞評估，各典型節(jié)點均滿足壽命大于30年的要求，滿足規(guī)范需求。