船體典型結構節點抗疲勞設計

李 濤， 羅秋明

(1.中船澄西船舶修造有限公司， 江蘇 江陰214433； 2.中國船級社 規范與技術中心， 上海200135)

0 引 言

引起船舶結構破壞的形式很多，其中疲勞破壞是主要破壞形式。隨著船舶大型化以及高強度鋼材的廣泛使用，疲勞問題也更加突出。自20世紀90年代以來，各大船級社已發布針對船體結構疲勞強度的評估指南[1-2]，其中中國船級社的“船體結構疲勞強度指南”[3](以下簡稱疲勞指南)也于2001年正式發布。盡管在各指南中詳細的計算過程和計算公式不同，但目前各船級社主要采用簡化方法[4]和直接計算法[5]評估疲勞強度。簡化方法將疲勞載荷和應力進行簡化，采用簡化公式進行計算。直接計算法通過直接計算得出載荷和應力，再用基于譜分析的方法對疲勞累計損傷度進行計算。在對船體典型結構節點進行疲勞校核時，一般針對縱向結構(主要是縱骨)采用基于名義應力的簡化方法，而對橫向結構等其他一些復雜節點，如船中橫框架處的內底與底邊艙斜板折角處，需采用基于艙段的精細網格有限元方法計算熱點應力。對于艙口角隅，由于艙段有限元模型無法準確計算翹曲應力，需采用基于全船有限元的方法進行疲勞評估。

采用簡化方法對縱骨進行疲勞校核的工作量相對較小，而采用熱點應力法對復雜節點進行疲勞校核對人力、時間和技術手段都有很高的要求。因此，業內從業者在積累了大量典型結構節點的設計經驗后，紛紛提出節點設計標準，由此也形成了典型結構節點的另一種疲勞評估方法——疲勞評估的規范描述性方法。船體結構節點按疲勞評估方法可進行如圖1所示的分類。

圖1 船體結構節點

對于比較容易發生疲勞破壞的節點，可通過有限元法或簡化應力法校核疲勞強度，而另一類節點產生裂紋的可能性可通過合理化設計降低，而這種合理的節點設計來源于疲勞設計原理、建造工藝和實船營運經驗積累，即規范描述性的疲勞要求。在符合上述要求的情況下，認為可保證此類節點的疲勞強度。通過上述分析可得到如圖2所示的典型結構節點疲勞評估流程。本文著重介紹船體結構關鍵部位選取、典型節點的抗疲勞優化設計[6]和節點設計標準等內容，旨在為業界開展結構節點設計、優化和疲勞強度評估提供參考。

圖2 典型結構節點疲勞評估流程

1 疲勞關鍵位置識別

在船舶航行過程中，由于受到波浪載荷，船體結構內部的應力不斷變化，相關結構節點會產生疲勞損傷。考慮到疲勞校核計算的巨大工作量，在實際工作中，只能選擇可能產生最嚴重疲勞損傷的部分位置進行疲勞校核評估。為了不影響疲勞評估結果，需篩選出能全面反映結構中比較容易產生疲勞損傷的節點，這是疲勞結果評估中很關鍵的一步。

結構的疲勞損傷由波浪彎矩、外部海水動壓力以及貨物特別是液貨運動產生的慣性力等的交變應力所引起，對于動載荷和構件應力較大以及應力集中比較嚴重的位置，疲勞問題往往比較嚴重，因此，通常選取如下船體結構疲勞位置：

(1) 船中區域縱骨、外板縱骨的疲勞問題更為突出。在船中區域，由于總縱彎曲應力較大，縱骨在橫艙壁和肋板連接處都可能產生較大的合成應力，因此，船中區域縱骨需重點評估疲勞強度。圖3是船體雙層底縱骨與肋板連接的典型連接節點。

圖3 雙層底縱骨與肋板連接典型節點

(2) 船體橫向構件的趾端處。船體橫向構件需承受舷外海水的靜壓力、動壓力和貨物壓力，因此，橫向強框架的趾端、艙壁水平桁和垂直桁趾端等均會產生應力集中，需重點評估疲勞強度。圖4是散貨船舷側肋骨典型趾端節點。

圖4 散貨船舷側肋骨典型趾端節點

(3) 艙口角隅。由于艙口角隅處于結構突變處，往往存在較大應力集中，通常需對其進行疲勞評估。圖5是船舶艙口角隅。

圖5 船舶艙口角隅

2 節點抗疲勞優化設計

船體結構節點的抗疲勞設計決定了船舶的使用壽命。以40 000 t化學品船的兩個典型節點為例，對同一部位的兩個節點進行疲勞評估，然后對結果進行對比，以得出疲勞壽命更高的節點形式。以底墩斜板與內底板連接節點為例，說明尺寸和應力集中因素對疲勞強度的影響。

底墩斜板與內底板相交的折角處節點形式1及改進形式2分別如圖6a)和圖6b)所示。其中形式2是在形式1的基礎上在折角處增加一個小肘板。分別建立形式1和形式2的細化有限元模型，如圖6c)和圖6d)所示。

圖6 底墩斜板與內底板連接節點

對形式1和形式2的細化模型進行累計損傷度計算，得到折角形式1的累計損傷度D1=0.036，折角形式2的累計損傷度D2=0.021，很顯然形式2節點計算的疲勞壽命更高。由此可見，對折角節點增加肘板，可有效減少應力集中，改善疲勞強度。

除基于改進結構尺度的優化設計外，還可通過改善焊接工藝、保證建造公差、增加焊后處理等系列措施來達到節點的優化設計。

3 節點設計標準

3.1 節點設計標準的應用

基于長期的結構疲勞強度校核經驗和實船應用數據的累積，各主要船級社在其各自的規范或疲勞指南中均提出類似的典型結構節點的抗疲勞設計圖冊。針對油船和散貨船，無論是先前的油船共同結構規范[7]，還是已經生效的最新協調共同結構規范[8](HarmonizedCommonStructuralRulesforBulkCarriersandOilTankers，HCSR)，都提供了節點設計標準及應用要求。以中國船級社疲勞指南為例，列舉幾個可免除疲勞強度校核的標準節點，供業內相關技術人員更好地理解和使用節點設計標準。

(1) 散貨船槽型橫艙壁與頂凳斜板的連接處，其節點設計標準如圖7所示。

圖7 散貨船槽型橫艙壁與頂凳斜板的連接處

(2) 散貨船槽型橫艙壁與底凳頂板的連接處，其節點設計標準如圖8所示。

圖8 散貨船槽型橫艙壁與底凳頂板的連接處

(3) 單殼散貨船舷側肋骨與底邊艙和頂邊艙的連接處，其節點設計標準如圖9所示。

圖9 單殼散貨船舷側肋骨與底邊艙和頂邊艙的連接處

此外，疲勞指南還提供了散貨船、油船和集裝箱船的船體結構節點設計，旨在為設計者對關鍵位置改進結構節點設計提供技術指導(非強制性要求)，以提高結構的疲勞壽命。

3.2 艙口角隅的規范描述性疲勞要求

對于通用船舶(含散貨船等)和集裝箱船(包括其他大開口船舶)的艙口角隅，《鋼質海船入級規范》(以下簡稱“鋼規”)[9]分別給出了角隅處甲板的補強方式，并分別對角隅半徑、嵌入板板厚和布置細節等作出了詳細規定。這些描述性要求與HCSR或其他船級社規范基本一致，屬于艙口角隅的抗疲勞設計標準。

此外，HCSR還明確指出：對于船長在150 m以上的船舶，艙口角隅半徑、嵌入板的厚度和范圍可由屈服、屈曲和疲勞強度評估決定，即艙口角隅的規范描述性疲勞要求可由包括疲勞強度評估在內的直接計算方法代替。對此觀點，筆者部分認同。一方面，抗疲勞設計的描述性要求來源于長期經驗積累，可對艙口角隅的結構安全性進行有效控制，因此滿足此描述性要求的艙口角隅應明確可免除包含屈服、屈曲和疲勞在內的直接計算校核，在這一點上筆者與HCSR的觀點是一致的；另一方面，艙口角隅加強嵌入板作為整體的板格，能避免在艙口角隅高應力區出現對接焊縫，可有效提高結構的疲勞強度，這一點在直接計算中無法體現。另外，角隅半徑尺寸較小，在直接計算中同樣很難做到精確校核。基于上述分析，筆者認為只有嵌入板的厚度可通過直接計算來確定，其余應滿足描述性要求。

“鋼規”中有關艙口角隅的描述性要求進一步明確了嵌入板的延伸范圍(如圖10所示，其中：R為艙口角隅半徑；e應不小于760 mm，且對于縱骨架式應不小于1個縱骨間距)，并增加“當嵌入板厚度不能滿足上述要求時，應采用包括屈服、屈曲及疲勞在內的直接計算方法予以驗證”的規范要求；該修改明確了艙口角隅節點設計標準在規范中的應用，減輕了設計時對于艙口角隅疲勞校核計算的工作量，同時有助于實現艙口角隅的多樣化設計，滿足不同船型的優化需求。

圖10 艙口角隅加強嵌入板的延伸范圍

4 結 論

通過對船體典型結構節點抗疲勞設計進行研究，得到以下結論：

(1) 疲勞計算方法包括簡化方法和直接計算法，直接計算法對復雜節點的疲勞校核對人力、時間及技術等有較高的要求，而簡化計算方法工作量相對較小。對于規范未強制要求采用直接計算法的節點，可根據疲勞評估的規范描述性方法進行設計。

(2) 疲勞關鍵節點應選擇在動載荷和構件應力較大以及應力集中比較嚴重的位置進行校核，如中部區域縱骨、船體橫向構件的趾端處和艙口角隅等。

(3) 利用抗疲勞設計優化方法并結合共同結構規范和實船經驗對油船、散貨船等船舶典型結構節點進行分析，得出若干典型節點的抗疲勞設計標準，在具體設計時可參照這些設計標準。

(4) 在規范中疲勞描述性要求對艙口角隅疲勞校核有明確的規定，可減小在設計時對艙口角隅疲勞計算的工作量，同時有助于實現艙口角隅的多樣化設計，滿足不同船型的優化需求。