船舶吊車基座疲勞分析過程解析

摘 要：本文通過對某VLCC大型改裝項目的吊車基座進行疲勞分析，根據DNV船級社規(guī)范，闡述了吊車基座疲勞分析的基本過程。即利用Abaqus軟件建模進行有限元計算，得出各個疲勞位置的應力幅，然后根據DNV規(guī)范疲勞計算公式，對不同應力狀況進行疲勞計算。

關鍵詞：疲勞壽命；有限元計算；Abaqus軟件；S-N曲線

1 疲勞的概念

所謂疲勞，是指船體或者其他結構在低頻交變載荷的長時間的循環(huán)作用下，出現破損裂縫-疲勞裂紋，構件在交變應力的作用下，其工作應力雖低于材料的屈服極限，但是經過長期重復之后，即使是塑性較好的材料，也會突然斷裂，而且斷裂前沒有較明顯的塑性變形，這種破壞形式，過去曾被誤認為構件長期在交變應力下工作，由于“疲勞”引起材料性質的改變而造成的，習慣上稱為“疲勞破壞”。近代的實驗研究以否定了這種說法，但是至今還沿用“疲勞”這一名詞。

2 吊車基座疲勞分析過程

對于吊車基座的疲勞計算主要考慮波浪產生的環(huán)境載荷和吊車操作過程中產生的循環(huán)載荷。它的疲勞分析通常采用基于S-N曲線累積損傷方法，在進行疲勞分析的時候，對疲勞損傷起顯著作用的應力范圍均應予以考慮。

2.1 Palmgren-Miner線性累積損傷理論

（1）

其中，D=累計疲勞損傷；

a=S-N曲線參數

m=S-N曲線反斜率

k=應力范圍考慮的數量

ni=應力范圍為 時的應力循環(huán)次數

Ni=所考慮節(jié)點相關S-N曲線中得到的對應應力循環(huán)次數

？濁=利用系數

疲勞強度分析要考慮所用可能的工況，應力范圍的數量應該足夠多，來確保疲勞強度的可靠性。

結構在設計壽命期間內的累積損傷度D 應滿足下式要求：

D≤1.0

2.2 疲勞分析的典型位置

在進行疲勞強度分析的時候，除了考慮循環(huán)載荷外，還要選擇容易發(fā)生疲勞破壞的位置，下面是疲勞分析的典型位置。

a）肘板趾端的位置（見圖1）

b）幾何形狀過渡位置

c）開孔位置（見圖2）

d）板連接的位置，一般是板連接處未對齊

2.3 周期性載荷的施加

由于周期性載荷對結構的疲勞壽命起主要作用，包括環(huán)境加速度，因此，吊機操作過程中的循環(huán)載荷，環(huán)境加速度以及因波浪彎矩產生的變形對吊車基座的影響等就是吊車基座疲勞狀態(tài)下的載荷。載荷輸入見表1。

2.4 有限元網格的劃分及應用軟件

根據疲勞區(qū)域有限元網格的特殊要求，需要在疲勞計算的區(qū)域進行網格細化，以便合理的捕捉到結構的熱點應力數值。一般情況下，網格的大小取板厚尺寸的大小或者取一半板厚的尺寸，疲勞區(qū)域網格有限元模型見圖3。

此圖用Abaqus軟件進行建模，此軟件已在船舶結構強度計算領域得到廣泛的應用，該軟件最大的特點就是操作簡單，實用，界面好，很多設計公司，船廠以及船級社都應用該軟件進行強度分析。

3 疲勞壽命計算

3.1 疲勞壽命的選擇

吊車基座疲勞壽命的選擇，主要根據實際工作中的使用頻率和工作載荷來確定。根據DNV規(guī)范，表2顯示了分類和疲勞壽命的規(guī)定。

我們所分析的吊機屬于類別1疲勞壽命為63000。

3.2 應力的選取

作為疲勞計算的應力應該是同一位置下對稱工況的應力數值。根據船級社要求，熱點應力作為疲勞計算的應力值。熱點應力的選擇有以下兩種方法。

（1） 對熱點應力位置0.5t和1.5t位置處的應力值進行線性差補。

（2） 1.12倍的0.5t位置處的應力值。

在此計算中采取方法2，讀取0.5t位置處的最大主應力然后放大1.12倍。

表4為從Abaqus有限元結構模型中讀取的每一種工況下肘板趾位置的最大應力和經過計算后熱點應力幅值。

3.3 S-N曲線的選取

S-N曲線是根據材料的疲勞強度實驗數據得出的應力S和疲勞壽命N的關系曲線。根據不同的焊接形式和結構形式選取不同的S-N曲線。曲線D作為肘板趾端的疲勞計算，曲線F3作為開孔處邊緣的疲勞計算。表3顯示選取S-N曲線對應的參數.

3.4 疲勞壽命的計算

通過讀取熱點應力的數值，經過計算得出應力幅值范圍，根據S-N曲線選擇計算得到相應位置的疲勞壽命。表4，5列出了各個疲勞位置的應力幅值和疲勞壽命利用率。根據DNV規(guī)范公式如下：

4 結論及意義

4.1 通過上述公式，計算出了不同位置應力作用下的疲勞壽命，當不滿足疲勞壽命要求時，應當采取相應措施修改后，重新計算。

4.2 本文是通過有限元計算后，按DNV規(guī)范中公式計算疲勞壽命，是吊車基座疲勞分析中比較普遍和準確的一種方法。在一般的船舶建造，修理，改裝及部分海工項目中，可以廣泛應用此方法來進行吊車基座的疲勞分析。

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