基于HCSR 與CSR 規范的散貨船艙口角隅疲勞計算方法

李旭

(中國船級社技術研究開發中心，北京100007）

基于HCSR 與CSR 規范的散貨船艙口角隅疲勞計算方法

李旭

(中國船級社技術研究開發中心，北京100007）

對于疲勞載荷的概率水平,HCSR規范調整較大,由原來CSR規范的10-4調整為現在的10-2,有關研究［3-5］表明構成疲勞累積損傷的概率水平主要集中在10-5以下的概率水平,其中10-2對疲勞累積損傷貢獻最大,見圖1。基于上述原因,HCSR規范選取10-2作為疲勞載荷的概率水平。

圖1 概率水平p與累積損傷的關系

1.2 應力范圍長期分布

HCSR與CSR-BC規范對于應力范圍的分布函數均應用weibull雙參數分布模型,形狀參數ξ均取1.0。Weibull形狀參數是研究船舶疲勞強度的一項重要參數,大量的研究結果表明,疲勞損傷對形狀參數十分敏感［6-8］,形狀參數ξ一般是根據結構所處的海洋環境、結構類型及響應特性以及構件在整個結構中的位置等因素來確定,數值一般是在0.7～1.3之間。疲勞載荷的概率水平取為10-2時,Weibull形狀參數ξ從0.8變化到1.2,對疲勞壽命的影響很小［3］,所以HCSR規范中配套選取ξ=1.0和10-2的概率水平的做法可以有效消除由形狀參數ξ選取帶來的誤差影響。

1.3 應力范圍計算方法

1.3.1 HCSR艙口角隅應力計算方法

對于HCSR規范,艙口角隅疲勞強度直接計算評估的應力范圍采用熱點應力,對于網格劃分密度有著一定的要求(見圖2)。應力的提取基于在有限元模型中角隅板網格邊緣建立一系列厚度與板材厚度相同,寬度近乎忽略的虛擬梁單元,在評估結果中提取梁單元的軸向應力和彎曲應力的組合。取各載荷工況中的修正后應力范圍最大值作為所考慮裝載工況下的疲勞應力范圍,所考慮的裝載工況見表3。

1.3.2 CSR-BC艙口角隅應力計算方法

對于CSR-BC規范,計算艙口角隅評估的應力范圍采用的等效切口應力,主要是基于簡化應力方法利用理論公式計算波浪轉矩引起的名義應力范圍,計算模型基于船體結構二維橫剖面,并根據艙口角隅的具體尺寸計算應力集中系數,將名義應力轉換成熱點應力,進而乘以疲勞切口因子轉換成疲勞等效切口應力。此過程中不單獨考慮均勻裝載、隔艙裝載、正常壓載及重壓載這些實際裝載工況的影響。

圖2 艙口角隅建模要求

表3 HCSR疲勞評估的裝載工況

1.4 應力范圍的修正

疲勞評估中影響評估結果有很多因素［9］,需要對應力進行修正,對于艙口角隅應力范圍的修正,主要考慮如下。

1.4.1 平均應力的影響

對于母材,CSR-BC規范中平均應力修正因子恒取fmean,j=0.77。HCSR規范中的平均應力修正系數是基于CSR OT和CSR BC方法的進一步發展。HCSR規范中以修正因子的形式考慮了平均應力的影響,公式中考慮了殘余應力、拉壓狀態、局部應力集中等影響因素,規范公式如下。

式中:σmax——所有裝載工況和所有載荷工況下的平均應力與10-2概率水平下應力范圍和的最大值;

σmcor,i(j)——修正后的平均應力;

σmean,i(j)——疲勞平均應力。

1.4.2 板厚修正的影響

HCSR和CSR均有板厚修正公式,對于凈板厚22 mm以上的評估節點的應力范圍進行板厚修正。不同之處在于CSR-BC的板厚修正指數恒取0.25［11］,而HCSR需要根據節點不同而選取。對于艙口角隅的板厚修正方法,CSR-BC規范中的方法為修正因子恒取fthick=1.0,即不進行板厚修正;而HCSR的艙口角隅板厚修正方法見表4。

表4 艙口角隅板厚修正方法對比

文獻［4］表明,對于母材自由邊(base materi al)的疲勞評估需要考慮板厚效應的影響,推薦的板厚修正指數為n=0.1。

1.4.3 材料系數修正

對于艙口角隅的疲勞評估,HCSR和CSRBC均考慮了不同材料屈服極限(ReH)帶來的影響,修正公式相同,如下。

1.4.4 腐蝕環境的影響

對于腐蝕環境的考慮,HCSR和CSR均有特點方法考慮,CSR-BC考慮的方式是通過腐蝕環境修正因子fcoat來實現的,方法如下。

對于壓載艙和燃油艙,fcoat=1.05;

對于干散貨艙和空艙,fcoat=1.03。

HCSR所考慮腐蝕環境影響的方法是通過腐蝕環境中的S-N曲線來專門考慮的,對于規范中規定的假定在腐蝕環境時間段內的累積損傷需根據腐蝕環境S-N曲線進行計算,具體見2.5和2.6所述,從而體現腐蝕環境對疲勞壽命的影響。

1.5 S-N曲線的選取

CSR-BC規范因考慮的是疲勞等效切口應力,在CSR-BC中對于任何節點形式的疲勞評估均采用了B曲線;HCSR規范中選取的S-N曲線是基于Den和HSE的B,C,D 3根S-N曲線,對于焊接節點采用的D曲線評估,對于母材采用B或C曲線,采用B或C曲線需要根據不同建造工藝來選擇,見表5、6。同時HCSR增加考慮腐蝕環境中的S-N曲線,用于計算節點在腐蝕環境時間內的疲勞累積損傷,腐蝕環境中的S-N曲線不考慮斜率的變化,見圖3。

表5 腐蝕環境下的S-N曲線

表6 空氣中S-N曲線

圖3 S-N曲線

1.6 累積損傷計算方法

1.7 疲勞壽命計算方法

HCSR中的疲勞壽命計算分為2個區間。

式中:Dair——所有裝載工況,空氣中的累計損傷總和;

Dcorrosive——所有裝載工況,腐蝕環境中的累計損傷總和。

2 實船計算分析

以某散貨船為例,應用CCSDSA TOOLS工具對該散貨船重壓載的艙口角隅進行網格細化［10］。

首先以橢圓型角隅(尺寸1 200 mm×600 mm)為研究對象,完成CSR和HCSR的疲勞強度評估。基于該模型,結合表7完成不同尺寸(R= 600 mm,R=900 mm,R=1 200 mm)不同建造工藝下圓弧型艙口角隅基于HCSR的疲勞評估,船體主尺度見表8,有限元模型及評估部位見圖4、5,對比計算結果見表9。

表7 工藝方法與母材S-N曲線的對應關系

表8 評估船主尺度參數

圖4 艙口角隅有限元模型

圖5 艙口角隅尺寸設計

表9 艙口角隅設計尺寸實船計算結果 年

3 結論

對于艙口角隅的疲勞評估,與CSR-BC規范中的簡化應力方法相比,HCSR規范建立了一套基于有限元的疲勞評估方法,并對整個評估過程的各個技術環節均做了較大的調整,從載荷體系(概率水平10-2)、應力范圍計算及修正方法、SN曲線選取到疲勞累計損傷及疲勞壽命計算,更加注重理論依據。

通過兩種規范的實船計算對比可以看出, HCSR艙口角隅的疲勞要求要高于CSR,這對今后的結構設計會帶來影響。

1)基于HCSR規范不同處理工藝(見表9)下的疲勞評估,可以看出建造工藝會給疲勞評估結果帶來很大的影響,現場施工中注意切割方法的選取,盡量保證角隅板加工成形后應有良好的圓角和光滑的邊緣,提高母材可使用的S-N曲線等級。

2)基于HCSR規范,在鋼材用量相同的條件下,與橢圓形艙口角隅相比,圓弧型的艙口角隅的疲勞強度要高于橢圓形艙口角隅。參見表9中橢圓型艙口角隅(1 200 mm×600 mm)和R=900 mm的圓弧形艙口角隅的評估結果,建議在設計中考慮采用圓弧形艙口角隅的設計形式。

3)圓弧形艙口角隅的疲勞壽命與半徑R有著密切的關系,增大半徑可以提升疲勞壽命。但這需要同時兼顧考慮散貨船營運中對裝卸貨的影響。

［1］IACS.Common structural rules for bulk carriers and oil tankers［S］.International Association of Classification Society,2014.

［2］IACS.Common structural rules for bulk carriers［S］.International Association of Classification Society,2012.

［3］IACS.HCSR technical background［S］.International Association of Classification Society,2014.

［4］POLEZHAYECA H,BADGER C.Effect of plate thickness on fatigue strength of basematerial and buttwelded specimensmade from EH40 steel thick plates［C］∥19thInternational offshore and polar engineering conference, Osaka,2009:366-373.

［5］高 峰,任慧龍.HCSR疲勞載荷概率水平及形狀參數的研究［J］.船海工程,2013(6):22-24.

［6］杜嘉立,楊鹽生,鄭云峰,等.船舶疲勞強度校核中Weibull形狀參數的影響［J］.交通運輸工程學報, 2003,3(2):31-33,87.

［7］崔維成,蔡新剛,冷建興.船舶結構疲勞強度校核研究現狀及我國的進展［J］.船舶力學,1998,2(4):63-81.

［8］胡毓仁,陳伯真.船舶及海洋工程結構疲勞可靠性分析［M］.北京:人民交通出版社,1996.

［9］崔維成,劉 濤,祁恩榮,等.散貨船疲勞強度校核的確定性方法［J］.船舶力學,2000,4(1):37-48.

［10］單威俊,伊金秀,李 鋒,等.艙口角隅處網格劃分方法研究［J］.船海工程,2008,37(1):10-14.

［11］Kim W S,Lotsberg I.Fatigue test data for welded connections in ship shaped structures［J］.Journal of offshore and arctic engineering,2005,127(11):359-365.

On Fatigue Strength Assessment for Hatch Corner of Bulk Carrier Based on HCSR and CSR

LIXu
(Technology Research Development Centre,China Classification Society,Beijing 100007,China)

In order to study the effectof the harmonized rules in fatigue assessment,the fatigue strength requirements of the hatch corner for bulk carriers in HCSR and CSR are analyzed.The fatigue life for hatch corner of one bulk carrier is calculated according to the CSR and HCSR respectively.Comparingwith the results shows that the requirement of fatigue strength for hatch corner in HCSR is improved.Some recommendations for design of the hatch corner are proposed.

fatigue assessment;hatch corner;CSR;HCSR;comparison analysis