船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評估方法研究

葉保善

摘 要：船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評估其實是船舶力學(xué)研究的一個主要的方面之一，并且由于船舶在遠(yuǎn)洋航海中發(fā)揮著重要的作用，所以本文主要是對船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評估方法進(jìn)行了研究與分析。

關(guān)鍵詞：船舶結(jié)構(gòu) 疲勞強(qiáng)度 評估方法 研究

1.引言

船舶在使用的過程中，疲勞破壞一直是影響船舶使用壽命的主要原因之一，并且也是使得船舶出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性問題的主要模式，并且隨著船舶業(yè)的不斷發(fā)展，船舶結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂問題一直是造船專業(yè)和造船業(yè)研究與分析的重點(diǎn)。隨著近幾年來我國社會經(jīng)濟(jì)與人們生活的不斷發(fā)展與進(jìn)步，造船業(yè)的發(fā)展也是比較快的，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促進(jìn)了造船技術(shù)的不斷進(jìn)步，所以這就使得在對船舶疲勞破壞問題的研究上就出現(xiàn)了許多的觀點(diǎn)，船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評估方法和理論也在不斷的更新。但是在實際的生活中，我們從船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評估方法的實用性來看，現(xiàn)在社會人們對船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評估所采用的方法主要是簡化方法、譜分析方法、設(shè)計波法、斷裂力學(xué)方法以及概率S-N曲線方法和概率斷裂力學(xué)的方法。所以本文就主要對這些方法進(jìn)行了解釋和說明，希望能夠為人們在實際的生活中應(yīng)用這些方法來評估船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度提供一些借鑒作用。

2.船舶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞的原因

我們所說的船舶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞其實主要是由于船舶在使用的過程中出現(xiàn)微裂紋以及這些微裂紋出現(xiàn)了擴(kuò)展的過程。微裂紋的出現(xiàn)主要是由于船舶在使用的過程中船體的各種各樣的構(gòu)件是會承受各種各樣的載荷所引起的交變應(yīng)力，并且船舶在使用的過程中并不是船體的每個構(gòu)件都是完美的，沒有一絲的缺陷的，有可能會存在例如氣泡、夾層等等一些問題。由于這些問題的存在，一旦當(dāng)船舶的交變應(yīng)力超過船體所能承受的限度的時候，船體的構(gòu)件應(yīng)力就會在最大的區(qū)域內(nèi)的一些問題就會導(dǎo)致微裂紋的出現(xiàn)。并且由于微裂紋的尖端處的應(yīng)力是比較集中的，并且隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的不斷增加，微裂紋就會不斷的擴(kuò)展，如果微裂紋一旦達(dá)到了一定的面積的話，船體的構(gòu)件就會發(fā)生脆性斷裂。

3.船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評估的簡化方法

（1）船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評估簡化方法的基本體系。

我們在對船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評估的時候，一般所采用的簡單方法主要是選擇滿載和壓載這兩種船舶的裝載狀態(tài)來對船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度來進(jìn)行評估，并且我們在對工況進(jìn)行計算的時候主要是通過這兩種狀態(tài)來進(jìn)行計算的。我們在通過壓載的狀態(tài)來計算工況的時候我們是要考慮到一種或者是多種的工況的，例如，ABS其實主要是考慮和計算10種裝載的工況數(shù)的，DNV、CCS、CSR等則主要是要考慮和計算到滿載和壓載的工況數(shù)的。我們計算出來的每一個工況數(shù)之后，我們都要利用經(jīng)驗和公式來不斷的計算出在每一個工況數(shù)對應(yīng)之下的某一超越概率水平下的波浪誘導(dǎo)載荷值和運(yùn)動響應(yīng)值，然后我們就需要計算出由于船體的運(yùn)動使得船上所裝載的貨物對船體的動載荷的影響。但是我們在實際進(jìn)行計算的過程中，我們其實首先是要計算船體的梁載荷誘導(dǎo)的船體梁應(yīng)力，然后我們還要計算由于外部的水動壓力以及船體的運(yùn)動使得的船體內(nèi)部所裝載的貨物由于慣性力等一些局部的載荷所產(chǎn)生的局部的壓力。最后，我們要對船體的梁應(yīng)力和一些船體的局部應(yīng)力進(jìn)行組合，這樣才能夠計算出一個參考的應(yīng)力。我們計算出參考應(yīng)力之后，并且我們還要根據(jù)參考應(yīng)力以及參考應(yīng)力所對應(yīng)的概率水平，經(jīng)過這樣的計算，我們就可以對應(yīng)力的長期分布范圍有一些數(shù)值的表現(xiàn)，然后我們就可以根據(jù)S-N曲線及Miner線性的累積損傷理論，就可以得出船舶結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷度了，這樣就對船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度有一個評估了。

（2）船體梁應(yīng)力。

我們在使用船舶的時候都應(yīng)該考慮到船體梁應(yīng)力，其實主要是考慮船體梁垂向彎矩及水平彎矩誘導(dǎo)的船體梁應(yīng)力。我們在計算波浪誘導(dǎo)的垂向彎矩的時候一般都是使用IACS推薦的計算公式，但是我們在計算的時候是有一定的差距的。并且由于使用的計算方式的不同，對船體梁應(yīng)力計算之后，船體梁應(yīng)力的組合方式也是不同的。

4.船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評估的譜分析方法

（1）船舶疲勞的載荷。

我們在對船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評估的時候，對于船舶疲勞的載荷的計算是十分重要的，尤其是在直接的計算方法之中?，F(xiàn)在，我們對船舶疲勞載荷的計算方法主要是線2D切片法和線3D方法。其中我們在計算船舶疲勞載荷的時候使用2D切片法是能夠較好的反映和預(yù)報波浪的載荷的，而且與3D方法相比較是比較的節(jié)省時間和節(jié)省精力，但是我們在使用譜分析方法來進(jìn)行評估的時候，我們是需要對波長與浪向所組合的載荷進(jìn)行大量的計算和預(yù)報，這就浪費(fèi)了大量的時間與精力，在這一方面我們是使用2D切片法的效果是比較好的。我們在對船舶結(jié)構(gòu)疲勞腔骨進(jìn)行評估的時候使用3D方法，這主要是由于3D方法對于計算一些有航速、載荷分布沿船長方向有變化的船體水動力問題方面發(fā)揮著較好的效果。但是在實際的使用的過程中，3D方法與2D切片法相比，3D方法是比較實用的。但是由于我們在使用譜分析方法來對船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評估的時候，我們要計算載荷之間的相位關(guān)系，而且也要注意到非線性波浪載荷對疲勞損傷的影響。但是由于現(xiàn)在學(xué)者以及社會的應(yīng)用方面對非線性波浪載荷，特別是對砰擊響應(yīng)后的合成載荷對船舶結(jié)構(gòu)疲勞損傷影響的研究和分析是沒有一些成熟的理論來進(jìn)行支持的，并且學(xué)者對這方面的工作是處于一個起步的階段的，所以這就使得計算出來的結(jié)果是存在著一定的差異的。所以，現(xiàn)在我們對船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的評估方法其實主要是要以線性波浪載荷為基礎(chǔ)來不斷的發(fā)展船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評估的方法。

（2）疲勞應(yīng)力的計算、短期預(yù)報以及長期預(yù)報。

我們在對船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評估的時候使用譜分析的方法，首先是我們要對船舶疲勞的載荷進(jìn)行分析與計算，然后我們就應(yīng)該對船舶的疲勞應(yīng)力、短期預(yù)報和長期預(yù)報進(jìn)行分析與研究。例如，我們在對船舶的疲勞應(yīng)力進(jìn)行計算的時候主要是包括結(jié)構(gòu)的模型化分析、載荷的施加以及應(yīng)力的分析。我們對結(jié)構(gòu)模型的分析主要是要考慮到計算應(yīng)力集中，并且我們還需要用細(xì)網(wǎng)格或者是局部細(xì)化的技術(shù)來計算應(yīng)力。endprint

短期預(yù)報主要是包括海浪譜、長峰波與短峰波、長峰波與短峰波等方面。我們在對船舶疲勞應(yīng)力進(jìn)行短期預(yù)報的時候，對船舶結(jié)構(gòu)疲勞分析多使用ISSC推薦的雙參數(shù)的P-M譜。對長峰波與短峰波的計算則主要是采用cos2的函數(shù)。

我們在進(jìn)行長期預(yù)報的時候其實主要是對船體在使用的年限之內(nèi)所遇到的一些各種各樣的情況進(jìn)行分析與研究，并且還需要海浪的散布圖來進(jìn)行描述。有時候人們認(rèn)為一些操縱的參數(shù)是與海浪沒有關(guān)系的，但是在實際的情況中，并不是人們這樣認(rèn)為的。因為在一些氣候或者是環(huán)境十分惡劣的時候，例如，臺風(fēng)、暴雨等情況發(fā)生的時候是會對船舶的行駛產(chǎn)生很大的影響的，有時候還會導(dǎo)致船舶出現(xiàn)失速的情況，并且這種情況的出現(xiàn)還會使得壓載的分布隨著海況的變化而發(fā)生變化，所以這就需要我們要根據(jù)一些操縱參數(shù)來建立正確的模型。

5.設(shè)計波方法

我們在對船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評估的時候使用譜分析方法是需要計算大量的工況的，但是我們在使用設(shè)計波方法來計算和評估船舶的疲勞的時候，這是與譜分析方法是十分不同的，這主要是由于設(shè)計波方法主要是通過減少工況來使得船舶結(jié)構(gòu)分析工作不斷的簡化。

（1）設(shè)計波的選擇。

我們在對船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評估的時候使用設(shè)計波方法，首先是要對設(shè)計波進(jìn)行選擇，我們在選擇設(shè)計波的時候主要是為了判斷引起船舶的疲勞損傷的設(shè)計響應(yīng)。我們在對設(shè)計響應(yīng)進(jìn)行判斷的時候主要是分為兩種，分別是載荷響應(yīng)和運(yùn)動響應(yīng)。并且我們在對這兩方面進(jìn)行計算和分析的時候，設(shè)計響應(yīng)設(shè)計波的浪向和頻率作為我們設(shè)計響應(yīng)的傳遞函數(shù)的最大值歲對應(yīng)的浪向和頻率。

（2）應(yīng)力范圍的長期分布

我們在船舶的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析與評估的時候，使用設(shè)計波方法來進(jìn)行計算和評估的時候還要對應(yīng)力范圍的長期分布來進(jìn)行處理，我們對應(yīng)力范圍的長期分布其實主要是使用Weibull來進(jìn)行分布處理，并且我們在對梁應(yīng)力進(jìn)行計算的時候主要是使用有限元模型來進(jìn)行計算，而且我們在進(jìn)行計算的時候還需要將水線附近的一些壓力的非線性的影響也是要考慮和計算在里面的，這樣才能夠保證我們對應(yīng)力范圍的長期分布有一個正確的計算。

6.結(jié)束語

由于對船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的評估是十分重要的，并且隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，船舶作為遠(yuǎn)洋交通的一個重要的載體是十分重要的，所以本文就主要對船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評估的方法進(jìn)行了分析與研究，希望可以為船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評估提供一定的借鑒作用。

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