船舶縱向構件疲勞評估的熱點應力方法

詹志鵠，夏洪祿

（中國船級社 上海規(guī)范研究所，上海200135）

隨著造船技術的發(fā)展，疲勞損傷對船舶結構的影響越來越受重視。瑞典對85條各種類型的船舶損傷作統(tǒng)計，共找到3 161處船舶結構損傷，其中2 227處損傷為疲勞損傷，疲勞裂紋約占總數(shù)的70.45%，該統(tǒng)計結果同SSC報告吻合［1］。

各國船級社根據(jù)各自的研究成果針對各國的具體實際分別制訂了規(guī)范或指南［2-3］，中國船級社在大量研究的基礎上也編制了《船體結構疲勞強度指南》（以下簡稱《指南》），所規(guī)定的方法對船體結構的初期設計和核準非常有效［4］。

本文在《指南》的基礎上繼續(xù)充實了船體縱向構件疲勞強計算的熱點應力方法，是對《指南》第五章內(nèi)容的細化和補充。

1 熱點應力的計算方法

1.1 熱點應力的定義

熱點應力（也稱幾何應力）指結構節(jié)點幾何突變處的應力，熱點處結構的裂紋最可能發(fā)生，通常裂紋產(chǎn)生在焊趾附近，船體結構的節(jié)點處的應力分布見圖1所示。

圖1 焊接接頭應力分布示意圖

圖中：σn——名義應力，按照梁理論模型或有限元直接計算時粗網(wǎng)格單元計算值；

σs——熱點應力，指由于結構的非連續(xù)性引起的應力，但不考慮焊接的影響，可以通過細化有限元分析得到，有限元模型不必考慮結構缺陷等因素，具體的計算方法見下節(jié)；

σl——切口應力，熱點應力考慮焊接后的應力，是熱點應力和焊接應力系數(shù)的乘積；

Ks——熱點應力集中系數(shù)，熱點應力和名義應力的比值；

Kw——焊接應力集中因子，切口應力和熱點應力的比值。

1.2 熱點應力計算

1.2.1 8節(jié)點實體元計算規(guī)定

1）計及節(jié)點的實際幾何形狀，包括焊縫；

2）熱點附近的單元最小尺度為受力構件板厚一半；

3）保證網(wǎng)格變化均勻。

1.2.2 四節(jié)點板殼單元計算規(guī)定

1）模型建立在板單元的中面；

2）熱點附近的單元尺寸不大于受力構件的厚度的一半。

1.2.3 計算方法

計算時所取的應力為單元表面的最大主應力，應力的分布沿面板和腹板的交線，見圖2。

圖2 熱點應力定義

（2）若網(wǎng)格劃分時無法控制在及點處，這兩點的應力可以通過Lagrange插值多項式插值求出，計算公式為：

式中：σ1、σ2、σ3、σ4——坐標x1、x2、x3、x4處的應力。

1.3 熱點應力SN曲線

SN曲線的種類很多，《指南》采用的SN曲線為DEn's修改的SN曲線（proposed revision SN curve），總共8條，編號為B、C、D、E、F、F2、G、W，每根曲線代表一類焊接的結構形式，這8條曲線的分類依據(jù)為：

1）焊接結構的幾何布置；

2）與焊接結構相關的應力波動方向；

3）焊接結構的建造工藝與檢測方式。

圖3 SN曲線示意圖

這些SN曲線主要和名義應力相配套，如果采用熱點應力可以單一的曲線，所需考慮的僅僅是焊接接頭的應力集中系數(shù)。關鍵是哪條SN曲線可以和上面規(guī)定的計算方法配套，為此對標準的F2曲線實驗使用的焊接接頭進行計算。

1.3.1 模型

標準的焊接接頭的熱點應力計算模型見圖4。

圖4 焊接接頭示意圖

尺寸如下：長396mm，插板寬396mm，板厚22mm，復板長110mm，高110mm，受軸向載荷。

四種計算模型見圖5。

圖5 四種有限元網(wǎng)格劃分

1.3.2 應力分布

圖6 模型Ⅰ的應力云圖和應力分布

圖7 模型Ⅱ的應力云圖和應力分布

圖8 模型Ⅲ的應力云圖和應力分布

圖9 模型Ⅳ的應力云圖與應力分布

1.3.3 計算結果

表1 標準焊接接頭熱點應力計算結果

從表1的計算結果可以看出，若單元的最小厚度分到0.5 t，熱點應力對應的曲線應該選取指南中的D曲線。

2 縱向構件熱點應力計算模型

2.1 有限元模型范圍

計算船體縱向焊接構件熱點應力時有限元模型范圍按下面的規(guī)定選?。?/p>

1）從橫向強框架（橫艙壁）向前后延長半個跨長；

2）橫向范圍取置橫框架端部，若為橫艙壁，取0為3倍縱骨腹板高度；

3）沿縱向構件向上下分別延伸半個縱骨距離。

圖10 有限元模型范圍示意圖

2.2 有限元分析載荷形式

2.2.1 軸向載荷模式

對應模型所受的總體彎曲所產(chǎn)生的應力。

2.2.2 側向載荷模式

對應模型所受的舷外水壓力。

2.3 有限元模型邊界條件

按表2、3選取邊界條件。

表2 受側向載荷作用模型的邊界條件

表3 受軸向載荷作用模型的邊界條件

3 構件的評估

用熱點應力方法進行構件的疲勞強度評估，具體為：

1）按照《船體結構疲勞強度指南》第三章、第四章的方法計算縱向構件的總體應力Sg和Sl；

2）根據(jù)本文前述要求計算Sg應力集中系數(shù)Sl的應力集中系數(shù)Kl和Kg；

3）計算合成應力，

4）用SN曲線中的D曲線校核疲勞強度。

4 算例

用熱點應力方法計算LNG船船甲板結構的疲勞強度。船長262.43m，船寬43.4m，型深26.0m，結構吃水11.30m，甲板橫梁間距2 880mm，縱骨間距822mm，甲板厚度21.5mm，縱骨尺寸L300×90813／17。

4.1 模型

圖11 縱骨接頭幾何和有限元模型

圖12 不同載荷作用下的縱骨接頭應力分布

4.2 計算結果

經(jīng)過計算熱點應力系數(shù)：Kg＝1.48，Kl＝1.52，用指南計算得到甲板應力為200MPa，結構的累計損傷0.32，若用熱點應力計算，結果為0.29，說明熱點應力方法對結構疲勞損傷的評估更準確。

5 總結

1）應用熱點應力計算方法來評估結構的疲勞強度，考慮到的因素更多，使計算結果更有可比性；

2）本文介紹的計算方法在《船體結構疲勞強度指南》的名義應力計算方法配套使用，可以完全解決船舶縱向構件疲勞強度計算的熱點應力方法。

［1］Fatigue Structure of Welded Ship Structures［S］，BV，1995.

［2］Guidance for the Fatigue Strength Assessment of Ship Structures［S］，KR，1995.

［3］中國船級社.船體結構疲勞強度指南［M］.北京：人民交通出版社，2001.