HCSR油船熱點(diǎn)疲勞強(qiáng)度案例分析

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(1.中國(guó)船級(jí)社 廣州分社，廣州 510235；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

船舶在其整個(gè)生命周期內(nèi)，會(huì)經(jīng)歷不同的裝載模式、遭受交替的載荷作用，導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞裂紋。為了協(xié)調(diào)散貨船和油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范的差異，IACS成立項(xiàng)目組，按IMO目標(biāo)型船舶建造標(biāo)準(zhǔn)(GBS)要求[1]，編寫了協(xié)調(diào)版《共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》。作為IACS最新推出的HCSR[2]規(guī)范對(duì)疲勞強(qiáng)度提出了更高的要求，以保障船舶的航行安全，以至于造成船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和審圖工作量巨大、周期長(zhǎng)、效率低。本文從實(shí)例出發(fā)，分析油船的熱點(diǎn)疲勞強(qiáng)度，采用FEA數(shù)值計(jì)算方法，分析不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)(板厚、軟趾形式、倒圓弧半徑等)對(duì)疲勞損傷的影響，試圖找出提高相關(guān)節(jié)點(diǎn)疲勞年限的有效方法，找到那些可以免算的優(yōu)化節(jié)點(diǎn)和尺寸，達(dá)到減輕船舶設(shè)計(jì)/審圖工作量、縮短任務(wù)周期的目標(biāo)。

1 關(guān)于HCSR規(guī)范疲勞評(píng)估方法

根據(jù)實(shí)際的營(yíng)運(yùn)經(jīng)驗(yàn)，規(guī)范設(shè)定了三類疲勞評(píng)估節(jié)點(diǎn)位置：強(qiáng)制細(xì)化評(píng)估位置、篩選細(xì)化評(píng)估位置、需滿足疲勞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估位置。對(duì)于每類需要做細(xì)化有限元評(píng)估的疲勞節(jié)點(diǎn)，根據(jù)疲勞裂紋萌生的具體位置不同，需要評(píng)估多個(gè)疲勞熱點(diǎn)。對(duì)于每個(gè)疲勞熱點(diǎn)，根據(jù)其所處位置，有a型熱點(diǎn)和b型熱點(diǎn)之分，不同種類的熱點(diǎn)要求不同的網(wǎng)格大小。如此一來(lái)，相對(duì)老的CSR-OT[3]規(guī)范，工作量大大增加。暫不考慮HCSR規(guī)范對(duì)于熱點(diǎn)疲勞評(píng)估要求的合理性，僅從實(shí)操角度總結(jié)易于滿足新規(guī)范的方法。

HCSR規(guī)范疲勞強(qiáng)度[4]的有限元分析基于PM方法進(jìn)行疲勞計(jì)算，計(jì)算基本過(guò)程為：

1)根據(jù)船型不同設(shè)定幾種基本的裝載模式并對(duì)每種裝載模式設(shè)定相應(yīng)的時(shí)間分配。

2)對(duì)每種裝載模式計(jì)算其對(duì)于8種等效設(shè)計(jì)波的2個(gè)極端相位處的單元應(yīng)力。

3)根據(jù)上述單元應(yīng)力并考慮不同的熱點(diǎn)類型采用相應(yīng)的應(yīng)力提取方法計(jì)算出熱點(diǎn)應(yīng)力幅值[5]。

4)根據(jù)熱點(diǎn)應(yīng)力幅值計(jì)及熱點(diǎn)處的板厚、焊接處理方法以及平均應(yīng)力計(jì)算出熱點(diǎn)處的疲勞應(yīng)力幅值。

5)根據(jù)疲勞應(yīng)力幅值計(jì)算出各裝載模式下的疲勞累積損傷[6]，并考慮環(huán)境的腐蝕綜合得出其整體的疲勞壽命[7]。

對(duì)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)位置，所有的疲勞熱點(diǎn)都必須按上述過(guò)程進(jìn)行計(jì)算并滿足疲勞壽命要求后，該節(jié)點(diǎn)才可以通過(guò)評(píng)估。

2 實(shí)船計(jì)算分析

選取一艘阿芙拉型油船的下折角處關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的新要求(即相比老的CSR-OT規(guī)范，該要求是HCSR規(guī)范新增部分)作為分析對(duì)象，以不同的節(jié)點(diǎn)形式分別計(jì)算其疲勞強(qiáng)度。算例嚴(yán)格按照HCSR規(guī)范的要求，采用CCS_HCSR_Tools進(jìn)行計(jì)算和疲勞壽命評(píng)估，目標(biāo)船已通過(guò)CCS審圖批準(zhǔn)。

位置：最關(guān)鍵強(qiáng)框架位置處的焊接型底邊艙下折角連接[8](底邊艙斜板、內(nèi)底板、縱桁、實(shí)肋板和橫向強(qiáng)框架的交點(diǎn))見(jiàn)圖1。

圖1 焊接型底邊艙下折角連接處熱點(diǎn)分類

根據(jù)規(guī)范要求，該下折角連接處有6個(gè)熱點(diǎn)，分別需要用3種熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算程序進(jìn)行評(píng)估。不同的應(yīng)力計(jì)算程序又分為兩種類型：類型a，熱點(diǎn)位于焊趾所在板的表面；類型b，熱點(diǎn)位于焊趾所在板的邊緣。不同類型對(duì)應(yīng)不同的建模要求：對(duì)于a類型的熱點(diǎn)應(yīng)力評(píng)估基于殼單元網(wǎng)格尺寸tn50Xtn50，tn50為熱點(diǎn)所在板材的凈厚度，如果構(gòu)件連接處有不同的厚度，這個(gè)凈厚度為裂紋可能發(fā)生和擴(kuò)展的構(gòu)件的凈厚度；對(duì)于類型b的熱點(diǎn)應(yīng)力評(píng)估基于網(wǎng)格尺寸10 mm×10 mm。這就要求在一個(gè)位置連接處建立精細(xì)有限元網(wǎng)格模型時(shí)，對(duì)于不同要求的熱點(diǎn)，模型的網(wǎng)格尺寸應(yīng)不同。 該處節(jié)點(diǎn)的有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 焊接型底邊艙下折角連接處熱點(diǎn)模型

其中熱點(diǎn)6——type b是HCSR規(guī)范新增的熱點(diǎn)要求，是本文考察的對(duì)象。對(duì)于類型b的熱點(diǎn)，其應(yīng)力分布不取決于板厚，熱點(diǎn)應(yīng)力σHS為表面主應(yīng)力σ的1.12倍，讀取于距焊趾5 mm處。這種熱點(diǎn)的疲勞評(píng)估，應(yīng)使用梁?jiǎn)卧獊?lái)獲取疲勞應(yīng)力范圍，應(yīng)力范圍基于梁?jiǎn)卧妮S向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，梁?jiǎn)卧母叨扰c所考慮板材的厚度相同，寬度方向近似忽略。

2.1 肘板厚度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

經(jīng)過(guò)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，沿著肘板趾端高度方向(表1中標(biāo)號(hào)①)的疲勞壽命容易滿足，沿著內(nèi)底板方向(表1中標(biāo)號(hào)②)的疲勞壽命不滿足。為了分析比對(duì)，修改肘板厚度，不同厚度嵌接肘板的疲勞年限總結(jié)見(jiàn)表1。

表1不同厚度的肘板疲勞年限

2.2 肘板臂長(zhǎng)對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

由表1可知，隨著嵌接肘板的建造厚度增加，標(biāo)號(hào)1應(yīng)力提取方向的疲勞年限提高，標(biāo)號(hào)2應(yīng)力提取方向的疲勞年限降低。增加肘板厚度在改善該處疲勞強(qiáng)度未見(jiàn)效果，改為延伸趾部臂長(zhǎng)，并適當(dāng)?shù)箞A過(guò)渡，不同臂長(zhǎng)嵌接肘板的疲勞年限總結(jié)見(jiàn)表2。

表2不同臂長(zhǎng)的肘板疲勞年限

2.3 肘板軟趾對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

由表2可知，隨著肘板臂長(zhǎng)增加，標(biāo)號(hào)1應(yīng)力提取方向的疲勞年限顯著提高，標(biāo)號(hào)2應(yīng)力提取方向的疲勞年限緩慢提高。增加肘板趾部臂長(zhǎng)有效果，進(jìn)一步采用軟化趾端的方式，不同趾端軟趾曲率嵌接肘板的疲勞年限總結(jié)見(jiàn)表3。

由表3可知，隨著嵌接肘板的趾端軟趾曲率調(diào)整，標(biāo)號(hào)1應(yīng)力提取方向的疲勞年限顯著提高，標(biāo)號(hào)2應(yīng)力提取方向的疲勞年限也已滿足規(guī)范要求。

表3不同軟趾曲率的肘板疲勞年限

注釋：為了保證對(duì)比，趾端高度保持不變，采用R120時(shí)趾端處幾何變形，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可降低趾端高度，平滑過(guò)渡。

經(jīng)過(guò)以上的對(duì)比驗(yàn)證可知，底邊艙下折角處的熱點(diǎn)6，對(duì)于type b類熱點(diǎn)的疲勞評(píng)估，增加嵌接肘板的厚度只能提高沿趾端高度方向的疲勞年限，相反會(huì)降低沿內(nèi)底板方向的疲勞年限。所以該肘板在滿足粗網(wǎng)格屈服強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度的前提下，不要過(guò)強(qiáng)，以免應(yīng)力集中；同時(shí)，適當(dāng)軟化趾端對(duì)于新的type b型熱點(diǎn)有良好的效果。

疲勞年限要求在扣除0.5倍腐蝕余量后能達(dá)到25年。焊接后處理改善疲勞強(qiáng)度的方法只能視為達(dá)到疲勞年限的補(bǔ)償辦法。當(dāng)考慮該處理的有利影響時(shí)，疲勞壽命可不小于17年。

應(yīng)當(dāng)注意焊接改善方法具有一定的適用范圍和要求。通常在船舶設(shè)計(jì)階段，計(jì)算疲勞年限時(shí)不考慮這些改善方法帶來(lái)的好處，只有當(dāng)不能采用替代措施合理達(dá)到設(shè)計(jì)壽命才能考慮這些好處。

3 實(shí)船案例分析

肘板趾端處的type b型熱點(diǎn)造成的疲勞裂紋越來(lái)越多地出現(xiàn)在船舶相似節(jié)點(diǎn)處，如圖3所示的某油船骨材端部肘板趾端處的疲勞裂紋。標(biāo)號(hào)2就是垂直于焊縫的應(yīng)力提取方向，與底邊艙下折角熱點(diǎn)6處的沿內(nèi)底板的應(yīng)力提取方向相同。后與船東議定該處節(jié)點(diǎn)的修理采用軟化肘板趾端、改進(jìn)焊接工藝等方法。即肘板趾端倒圓角、連接焊縫采用全焊透型式，并將焊縫打磨光順的方法進(jìn)行修理。

圖3 某輪骨材端部肘板趾端處的疲勞裂紋

4 結(jié)論

對(duì)于新增的熱點(diǎn)6，嵌接肘板本身在滿足屈服強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度的前提下不能太硬，其厚度選取可參考散貨船的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)E處，嵌接肘板的趾端建議參考大肘板趾端采用軟趾的設(shè)計(jì)形式。

本文僅對(duì)一種船型的一種節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，可能有局限性，后期還需大量實(shí)船驗(yàn)證。另外對(duì)于新的type b類熱點(diǎn)的疲勞評(píng)估，往往只評(píng)估了沿肘板趾端高度方向的疲勞壽命，而忽視了沿內(nèi)底板方向的影響，在船舶設(shè)計(jì)中需要留意。

新的HCSR規(guī)范提高了對(duì)計(jì)算的要求，從粗網(wǎng)格的屈服屈曲強(qiáng)度、細(xì)網(wǎng)格的屈服分析，到精細(xì)網(wǎng)格的熱點(diǎn)疲勞評(píng)估，工作量大幅提升。規(guī)范作為船舶強(qiáng)度評(píng)估的主要依據(jù)，應(yīng)該給出各種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)節(jié)點(diǎn)，以輔助船舶設(shè)計(jì)。只有當(dāng)采用新穎的結(jié)構(gòu)形式時(shí)才需要大量計(jì)算驗(yàn)證。如HCSR規(guī)范第9章第6節(jié)給出的“結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”，只要按這些標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)就認(rèn)為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，免于計(jì)算，期待擴(kuò)充這些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。