HCSR規范疲勞篩選方法研究

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(1. 哈爾濱工程大學 船舶與海洋工程力學研究所，哈爾濱 150001；2.中國船級社，北京 100007)

國際船級社協會(IACS)決定在CSR-BC[1], CSR-OT[2]的基礎上研發協調共同結構規范[3](HCSR)。HCSR[4]規范中規定的疲勞評估關鍵點分為三類：①強制評估部位；②如未滿足規范提供的設計標準，需要進行疲勞評估的部位；③需要通過疲勞篩選方法判定是否需要進行疲勞評估的節點。而疲勞篩選方法是一種基于50 mm×50 mm網格全新計算疲勞壽命的方法，目前鮮有人研究。該方法不僅能夠提高有限元熱點疲勞壽命計算的效率，并且也提出了一種計算疲勞壽命的新思路。

選取一型油船(滿載和壓載)模型，一型散貨船的輕貨艙(345艙)和重貨艙(456艙)模型(均勻裝載，隔艙裝載，重壓載，正常壓載)，分別對HCSR規范指定疲勞篩選熱點進行t×t和50 mm×50 mm的網格細化，通過MSC.Patran有限元軟件進行載荷工況加載計算。

熱點位置和類型見表1，應力放大因子η通過下式求得。

(1)

式中:σt×t-mesh——t×t有限元模型得到的表面應力；

σ50×50-mesh——50 mm×50 mm有限元模型得到的中面應力。

表1 HCSR規范疲勞篩選位置

1 熱點疲勞壽命計算方法簡介

在計算應力放大因子η的過程中，需根據HCSR規范熱點計算方法和疲勞篩選計算方法編制Excel從而得到σt×t-mesh和σ50×50-mesh，圖1、2為HCSR規范插值示意圖，并對這兩種計算方法進行簡單介紹，圖1,2參考單元為圖中1,2,3,4單元，圖1,2應力閱讀點方向為y軸，其中圖1大小為單元y值的一半，圖2為圖中畫圈位置。

圖1 HCSR規范焊趾插值示意

圖2 HCSR規范十字接頭插值示意

1.1 熱點應力法

1.1.1 焊趾疲勞壽命計算方法

油船校核節點——水平桁趾端和強框架肘板趾端采用焊趾(4節點)的熱點應力計算方法計算疲勞壽命，具體方法如下。

1)建立局部坐標系如圖1，分別提取1,2單元在中拱、中垂下的表面應力(σx,σy,τ)，將相減得到Δσx,Δσy,Δτ外插至y=0處，得到Δσx(t/2),Δσy(t/2),Δτ(t/2)。

2)將Δσx(t/2),Δσy(t/2),Δτ(t/2)三種應力成分合成主應力，取與焊縫垂直方向45°范圍內和45°范圍外的主應力ΔσFS1,ΔσFS2，ΔσFS=max(ΔσFS1，ΔσFS2)，繼而求得熱點應力ΔσHS=1.12·ΔσFS。

3)對于3,4單元重復上述步驟(步驟1至2)，與1,2單元的結果相比較，取大者。

4)對于1,2單元在中拱、中垂下的表面應力(σx,σy,τ)各自相加除2，得到σx(mean),σy(mean),τ(mean)并按照步驟2,3處理。

5)計入平均應力系數得到fmean，計入厚度修正得到fthick。

6)分別將所求的熱點應力范圍轉化成疲勞應力范圍，ΔσHS為45°范圍內主應力可按下式計算，45°范圍外需乘以0.9作為S-N曲線轉換的修正：

ΔσFS=0.95·fmean·fthick·ΔσHS

7)取每個裝載模式下不同設計波對應的疲勞應力范圍的最大值。

8)計算在空氣中和腐蝕環境下，各個裝載模式的疲勞損傷，總損傷及疲勞壽命。

1.1.2 十字接頭疲勞壽命計算方法

散貨船校核節點——底邊艙下折角、底凳與內底連接處折角(90°和大于90°)采用十字接頭(4節點)的熱點應力計算方法計算疲勞壽命，具體方法如下。

1)建立局部坐標系，提取1,2,3,4單元的膜應力σmx,σmy,τm，相減得到Δσmx,Δσmy,Δτm。

2)將1,2單元和3,4單元的Δσmx,Δσmy,Δτm分別求平均值，得到t/2和3t/2處的Δσmx,Δσmy,Δτm，再線性內插到xshift=t/2+xwt，得到Δσmx(shift),Δσmy(shift),Δτm(shift)。

3)提取1,2,3,4單元的彎曲應力σbx,σby,τb，按照步驟1,2得到Δσbx(shift),Δσby(shift),Δτb(shift)。

4)根據公式

Δσshift=(Δσm(shift)+Δσb(shift)·0.6)·β

(2)

得到Δσx(shift),Δσy(shift),Δτ(shift)，β為關于折角角度的系數。將Δσx(shift),Δσy(shift),Δτ(shift)合成主應力，剩余步驟與焊趾合成主應力后的步驟一樣。

1.2 疲勞篩選方法

建立局部坐標系如圖2，提取1,2,3,4單元的膜應力σmx,σmy,τm，相減得到膜應力范圍Δσmx,Δσmy,Δτm，求得膜應力范圍四個單元的均值，利用均值合成主應力，剩余步驟與焊趾合成主應力后的步驟一樣，插值見圖3，途中標志請參考圖1。

圖3 HCSR規范篩選插值示意

2 實船計算結果

2.1 實船基本信息

目標船的基本信息見表2。

表2 目標船基本信息

2.2 實船計算結果

限于篇幅的限制，只給出散貨船和油船各一個熱點的詳細結果，有限元細化見圖4、5、6、7。

圖4 油船t×t網格細化示意

圖5 油船50 mm×50 mm網格細化示意

圖6 散貨船t×t網格細化示意

圖7 散貨船50 mm×50 mm網格細化示意

2.2.1 油船水平桁趾端η計算結果

篩選過程詳細結果見表3。

表3 水平桁趾端計算結果

2.2.2 散貨船輕貨艙底邊艙下折角η計算結果

篩選過程詳細結果見表4。

2.2.3 結果統計。所有熱點的統計結果見表5。

2.2.4 應力放大因子驗證。選取目標船2的輕貨艙中底凳與內底連接處90°折角(與上述節點相差3個強框架位置)，運用3.2.3中計算所得的應力放大因子1.661 2，計算疲勞壽命，并且比較兩種方法計算出來的疲勞壽命，見表6。

從表6中，可以看出由篩選方法計算出來的疲勞壽命略小于由熱點應力法計算出的疲勞壽命，各個裝載模式的應力大小趨勢相近。該方法可以較好地對有限元熱點位置進行疲勞評估。

表4 輕貨艙底邊艙下折角計算結果

表5 實船計算結果

表6 實船底凳-內底板(90°)驗證結果

3 結論

1)對于油船，建議桁材趾端的應力放大因子取為1.97，強框架肘板趾端的應力放大因子取為1.49。

2)對于散貨船輕貨艙，建議底邊艙下折角的應力放大因子取為2.00，底凳-內底板(對于折角角度為90°)的應力放大因子取為1.66，底凳-內底板(對于折角角度大于90°)的應力放大因子取為1.42。

3)對于散貨船重貨艙，建議底邊艙下折角的應力放大因子取為2.28，底凳-內底板(對于折角角度為90°)的應力放大因子取為1.80，底凳-內底板(對于折角角度大于90°)的應力放大因子取為1.50。

4)疲勞篩選方法可以提高有限元熱點疲勞壽命計算的效率并保證精度。

[1] IACS.Common structural rules for bulk carriers[S].International Association of Classification Society,IACS,2006.

[2] IACS.Common structural rules for double hull oil tankers [S].International Association of Classification Society,IACS,2006.

[3] IACS.Common structural rules for bulk carriers and oil tankers [S].International Association of Classification Society,IACS,2013.

[4] 王 剛，張道坤.IMO GBS要求下的油船散貨船共同結構規范[C]∥紀念徐秉漢院士船舶和海洋構造力學學術會議論文集,北京：中國造船工程學會，2011:430-436.