雙殼油船熱點疲勞評估方法的研究

摘 要：時至今日，船體結構的有限元直接計算在船舶設計和審核中已經成為不可或缺的手段，本文結合實船算例，在《雙殼油船共同規范》和中國船級社的《船體結構疲勞強度指南》的基礎上，通過有限元建模，分別進行了熱點應力的疲勞校核，并根據兩個規范所計算出來的疲勞壽命，進行相互印證，分析《雙殼油船共同規范》的優劣勢，得出合理的結論。

關鍵詞：共同規范；疲勞評估；熱點應力；有限元

Study on Fatigue Assessment of Hot Spot Stress for

Double Hull Oil Tanker

CHEN Zihao， LIU Yueqin

( South China University of Technology， Guangzhou 510640 )

Abstract: Nowadays， FEM(Finite Element Method) has become an indispensible step in design and inspection of ship. This paper analyzes an oil tanker based on the Common Structure Rules For Double Hull Oil Tankers and the Guidelines For Fatigue Strength of Ship Structure of CCS， calculates the result of hot spot stress fatigue by FEM respectively and seeks out the advantages and disadvantages of these two methods.

Key words: Common Structure Rules; Fatigue assessment; Hot spot stress; FEM

1 引言

焊接是現代船舶最主要的連接方式，它具有不削弱構件截面，節省鋼材，構造簡單，易于加工，連接的密封性好，剛度大，便于采用自動化生產等優點。然而，一方面焊接鋼結構中的焊縫往往存在著咬口、未焊透等幾何缺陷，另一方面從結構本身來說，有些焊接鋼結構是在其整體幾何形狀不連續處引入焊接連接的，這都會使焊縫部位產生應力集中。船舶在海上航行時，船體結構一直受到波浪力及船舶運動產生的慣性力的作用。而在這種交變荷載下，焊接鋼結構很有可能在焊縫附近萌生疲勞裂紋，一旦裂紋擴展到臨界尺寸，就會產生疲勞破壞事故，因此不應該單純地考慮船體結構對這些載荷的承受能力，更應去考慮船舶這種長期交變應力作用下的使用壽命，也即是疲勞壽命，隨著船體向大型化的發展，其關鍵部位(即“熱點”)疲勞強度的破壞在船舶安全事故中所占的比例也越來越大，因此，對船舶的關鍵部位的疲勞強度的校核研究是非常有必要的，而且這對船體結構的安全也具有指導性的作用[1]。

疲勞熱點就是我們平時所認為易于產生疲勞斷裂破壞的的關鍵位置，其一般是一些焊接的節點。熱點應力即指在熱點處的局部應力。熱點應力考慮到連接處的幾何形狀引起的結構不連續性所產生應力集中的影響。

于2001年中國船級社(CCS)發布了它的疲勞計算指南-《船體結構疲勞強度指南》（以下簡稱《指南》），并于2007年，在2001版的基礎上根據用戶使用意見進行修訂，增加了抗疲勞的設計內容[2]。

而國際船級社協會(IACS)為了在國際航運界創造一個公平的市場，保證海上安全，防止污染，制定了《雙殼油船結構共同規范》（以下簡稱《共同規范》），統一IACS內部油船的建造標準并于2006年4月1日強制實行。油船《共同規范》中關于對熱點疲勞強度做了專門的要求，從而提高了對船舶疲勞壽命的要求。

2 基于《共同規范》和《指南》的熱點應力評估方法的異同

2.1 疲勞損傷計算

《共同規范》和《指南》均采用線性累計損傷模型，即基于Palmgren-Miner損傷積累規則和S-N曲線。疲勞損傷積累理論就是，當構件承受高于疲勞極限的循環交變應力的時候，每一次循環都會使構件產生一定的疲勞損傷，這個損傷隨著時間而積累，當疲勞損傷累積到臨界值得時候，構件就會產生破壞。S-N曲線是指疲勞應力幅值和疲勞壽命之間的關系的曲線，其中S是指交變應力的應力幅值，N是指在恒幅交變應力作用下結構達到破壞的應力循環次數，即疲勞壽命。累積損傷度D的基本公式如公式（1）所示。

（1）

《共同規范》和《指南》都有自己相應的的疲勞累積損傷經驗公式[3]，分別如公式（2）和公式（3）所示：

（2）

（3）

公式中主要參數：NL-船舶設計壽命內的應力循環次數；NR－應力循環的周期數；K，m-S-N曲線參數；μ-計入S-N曲線斜率變化的系數；ζ-weibull形狀參數；SR -對應10-4概率水平下的應力范圍。

1）在《指南》中，船舶設計壽命的應力范圍循環總次數取固定值0.6×108；《共同規范》中，此值通常取 0.6 ×108至0.8 ×108之間，可由公式NL =f0U/(4logL)求得。

2）在《指南》中，疲勞載荷所對應的概率水平為10-4，NR取為108；在《共同規范》中，疲勞載荷所對應的概率水平為10-4，NR取為104。。

3）S-m曲線的選擇上，《指南》規定當采用熱點應力法時，對于船體的焊接節點應選用E曲線；而《共同規范》則采用D曲線，比前者偏于安全。

4）關于weibull參數的計算，《指南》中是采用一個以船長L為自變量的回歸公式來計算；而《共同規范》是在該公式的基礎上乘上一個對應不同區域的分布因子fweibull。

2.2 有限元建模

根據《共同規范》中的規定，采用1+1+1全寬三艙段有限元建模，并要求在高應力集中處使用精細有限元網格（如圖1所示）。這種精細網格分析可采用精細網格區域的獨立局部有限元建模，邊界條件從艙段有限元模型得到；也可以采用吧精細網格模型嵌入到艙段有限元模型中進行。

疲勞熱點位置向外所有方向至少500mm范圍內的所有結構（如圖2所示），應以凈厚度建模，凈厚度由總厚度減去一半腐蝕增量（即0.5tcorr）后得到，若使用強度評估的艙段有限元模型（建模厚度基于總厚度減小0.5tcorr），則計算應力值應根據規范中給出的模型縮減因子fmodel進行修正。

精細網格尺寸為tnet50xtnet50，其中tnet50為可能出現初始疲勞裂紋的板材的凈厚度，并保持此尺寸在疲勞熱點位置向外所有方向至少延伸10個單元。精細網格區內使用均勻的方形網格，并向外的粗網格區域平穩過渡，其鄰近區域應盡可能避免三角形單元或特大長寬比的單元[1]。如圖1、圖2所示。

而《指南》中只要求采用1/2+1+1/2艙段建模，在主要構件和載荷對稱與中縱剖面時可采用半寬模型，同樣需要細化熱點區域的單元，要求與《共同規范》大致相同。

2.3 工況及載荷

在疲勞計算中，《共同規范》和《指南》均采用研究相對成熟的第一類載荷-常規波浪載荷和艙內貨物動載，并都考慮滿載和壓載工況，但它們也各有不同之處。

雖然它們同樣考慮了外部水動壓力、波浪彎矩和內部貨物動壓力，但是《共同規范》考慮了單弦加載，即斜浪的影響，《指南》并沒有對此作出相關規定。

2.4 熱點應力的提取

1）CSR規定，在計算油船底邊艙折角連接處中，熱點應力范圍在距離內底板和底邊艙板得交線0.5tnet50+xwt（xwt是焊趾距離），并由基于距交線處底邊艙或內底板的第一個單元和第二個單元的型心處表面應力進行線性內插值得到。

2）在CCS《指南》中，則采用了兩次插值的方法，第一次為拉格朗日插值，求出距焊趾0.5 t和1.5 t出的應力范圍，第二次為線性外插值求出焊趾處的熱點應力范圍[4]。

3 實船算例

3.1 主尺度和主要參數

本文選用55000DWT原油/成品油輪作為實船算例，其主尺度和主要參數如下：

船長L 199.9 m

垂線間長LBP 194 m

規范船長L 191.226 m

型寬B 32.26 m

型深D 17.7 m

設計吃水Td 10.5 m

結構吃水Ts 12.2 m

方形系數CB 0.891

最大航速V 14.7 kn

3.2 有限元模型

本船艙段有限元模型如圖3所示。

3.3 邊界條件

邊界條件要求如表1所示。

3.4 計算結果

基于《共同規范》和CCS《指南》的計算結果如表2所示。

4 結論

本文在《共同規范》和CCS《指南》的基礎上，通過采用MSC.Patran進行有限元建模，用MSC.Nastran進行計算，CCS開發的CCS_TOOLS進行后處理，嚴格按照規范和指南的評估方法進行疲勞校核，對55000DWT原油/成品油輪進行研究，分析了兩種在中國流行的油船熱點疲勞評估方法，得出如下結論：

1）《共同規范》在船舶設計壽命的應力范圍循環總次數NL的取值上較《指南》更為靈活，在S-N曲線的選取上，《共同規范》更加安全可靠。

2）在有限元建模上，由于《指南》要求的是1/2+1+1/2的艙段建模，因此其無法模擬完整的剪力分布，而且，其所采用的半寬模型，無法模擬斜浪的加載，因此《共同規范》的完整三艙段全寬有限元模型更能全面的地反映出實際載荷工況的作用。

3）在熱點應力的提取中，《指南》中是首先進行拉格朗日插值，再進行線性外插值，較之《共同規范》中的線性內插法能更精確地反映出熱點處的應力范圍。

4）通過《共同規范》和《指南》兩種計算方法得出的結果進行互相校核，證明本文的計算的疲勞壽命是可靠的。

參考文獻

[1] IACS.Common Structure Rules For Double Hull Oil Tankers[S]. 北京:人民交通出版社， 2009

[2] 中國船級社.船體結構疲勞強度指南[S]. 北京:人民交通出版社，2007.

[3] 羅廣恩， 王自力， 張延昌等. 基于JTP規范中熱點應力的油船船體疲勞強度分析[J]. 江蘇科技大學學報，2007.21(1):18-20.

[4] 劉文華， 張弛. 基于CSR中熱點應力的散貨船疲勞強度分析[J].上海造船， 2009(3):17-18.

[5] 楊永祥， 嵇春艷， 羅廣恩. 基于JTP規范大型油船疲勞熱點壽命評估[J]. 艦船科學技術， 2007.29(4):60-64.

作者簡介：陳子豪（1986-）男，碩士研究生，研究方向：船舶與海洋結構物設計制造

劉月琴（1961-）女，副教授

收稿日期：2011-11-10