大型LNG運輸船結構疲勞損傷分析方法

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

由于海洋環境載荷的交變作用，疲勞破壞是船舶結構破壞的最主要形式之一[1]。已有研究表明，船體疲勞裂紋經常出現在尖艙區域、船舯部甲板與船底區域、橋樓兩端的舷墻及甲板大開口處[2]，船長超過200 m的大型船舶，其總損傷的70%以上都屬于疲勞裂紋[3]。目前新建造的LNG運輸船疲勞壽命要求一般為40年，而且要求無限航區。一旦發生結構疲勞損傷將給LNG運輸帶來較大隱患；船舶發生計劃外的塢修除了產生高額的塢修費用之外還會帶來數百萬甚至超過千萬美元的租金損失。因此從安全和經濟的角度考慮，在設計階段對LNG運輸船進行疲勞分析就顯得尤為重要。

本文結合目前使用較為廣泛的疲勞校核方法，選擇譜疲勞分析法進行實際驗算，對船級社規定進行疲勞分析的節點進行總結對容易發生疲勞損傷的位置提出補強建議。

1 疲勞強度的校核方法

目前常用的疲勞強度校核方法包括基于線性累計損傷理論的S-N曲線法和基于Paris裂紋發展理論的斷裂力學方法。S-N曲線法更適合工程應用，分為簡化分析方法和譜分析法。

簡化分析法使用簡化的船舶載荷和簡化的結構應力響應，計算較為簡便，各大船級社均有自己提出的簡化分析方法。

但是有報告指出按照各船級社的簡化分析法進行某集裝箱船艙口圍板疲勞分析時，得出的結果差異很大，預測的疲勞壽命從1.8年到20.7年不等[4]。主要原因是船舶載荷和結構應力響應是進行疲勞分析的核心因素，基于大量經驗總結和統計資料反饋的簡單的公式或者參數值難以滿足不斷出現的新船型的要求。

譜分析法考慮的因素包括航區海況、多種船舶裝載工況等，主要假設短期海況符合平穩的正態分布，以此來通過波浪的統計特性得出船舶結構受到的交變應力，較為貼近現實情況。本文嘗試使用譜分析法進行ABS規定的部分高應力節點疲勞強度校核。

1.1 譜疲勞分析法的主要假定及公式推導過程

海面波動形成海浪，而海浪是一個隨機變化的過程，浪高、波動周期都是不斷變化的。為了盡可能模擬真實的海況并方便計算，將一個固定點的海浪分解成多個簡單的隨機余弦波的疊加[5]。

(1)

式中:An為第n個余弦組成波的振幅；wn為第n個余弦組成波的圓頻率；εn為第n個余弦組成波的隨機初相位角，均勻分布在0～2π的范圍內。

當嘗試計算一定頻率范圍內(ω～ω+Δω)的波浪能量時采用下面的函數。

(2)

S(ω)相當于能量密度相對于組成波頻率的分布函數，稱其為能譜或者波浪頻譜。

使用海況散點圖表示波浪在以年為單位的時間段內的表現并以此為依據預測船舶整個壽命周期內受到的波浪動載荷。顯然，某些年份的海況會比此處海況散點圖顯示的更加惡劣，某些年份的海況又會比參考值溫和一些，船舶整個生命周期內除去海上航行還有港口停泊、設備維護、塢修等活動，因此整體考慮認為并不會受到比計算值更大的波浪載荷。北大西洋海況散點圖見表1。

表1 北大西洋海況散點圖

在表1中，每一個單元格中的數字表示某個特定周期和波高的波在100 000個被記錄的海況中出現的次數。

1.2 波浪能量譜

假設某短期海況下的波浪能量譜為Sη(ω)，則長期海況下的波浪能量E即可表示為

(3)

當考慮浪向角的影響時，上式可完善為

Sη(ω∣HS,TZ,θ)=Sη(ω∣HS,TZ)·F(θ)

(4)

Sη(ω|HS,TZ)在這里表示短期海況下的點譜能量，θ表示浪向角，F(θ)表示對應的方向函數。

常用的布雷特施奈德點譜如下。

(5)

方向函數如下。

(6)

1.3 結構響應的頻域分析

短期海況下的復雜波可以被近似分解為有限個規則波，引起疲勞裂紋的交變應力可由波浪能量譜來獲得，計算波浪能量譜的參數包括短期海況(Hs，Tz)，船舶浪向角(θ)，航速(V)和裝載狀態(L)。

Sσ(ω|HS,TZ,V,L,θ)=

|H(ω|V,L,θ)|2·Sη(ω|θ)

(7)

1.4 疲勞損傷分析

短期海況下導致疲勞損傷的應力范圍通常由波浪散點圖中各單元對應的概率密度函數得出，通過譜分析法推導出概率密度函數。為了將浪涌的影響加以考慮，采用雨流法對計算結果加以修正。在求得短期海況下的疲勞損傷后，通過加權求和法得到長期海況下的疲勞損傷。

求解海洋結構物疲勞強度譜分析法的基本步驟如下。

1)計算疲勞應力傳遞函數。

使用直接計算法來確定疲勞節點在不同裝載狀態、波浪頻率、浪向角影響下的應力響應并以此來確定應力傳遞系數Hσ(ω│θ)。

通過波浪能譜Sη(ω│HS,TZ)和應力傳遞系數來計算應力能譜Sσ(ω│HS,TZ,θ)，其中HS表示有義波高，TZ表示平均跨零周期。

Sσ(ω│HS,TZ,θ)=

│Hσ(ω│θ)│2·Sη(ω│HS,TZ)

(8)

2)計算譜矩。

第n階譜矩mn的表達式為

(9)

ωnSσ(ω│HS,TZ,θ)dω

(10)

使用瑞利(Rayleigh)分布下的概率密度函數來表示各短期海況的應力響應，應力響應的跨零周期和帶寬公式如下。

瑞利分布下的概率密度函數為

(11)

跨零周期為

(12)

帶寬為

(13)

S表示應力范圍，等于應力幅值的2倍。σ=m0。m0、m2、m4分別為0階譜矩，2階譜矩和4階譜矩。

基于線性累積損傷理論計算各短期海況下的疲勞損傷di的累計值D為

(14)

式中：ni為某一應力范圍內的應力循環次數，Ni為根據S-N曲線在該應力范圍下恒幅交變應力導致結構發生疲勞損傷需要的應力循環次數，J為應力范圍的數量。當D大于1時，結構就會發生疲勞損傷。

假定S-N曲線符合N=AS-M的形式，那么在第i個海況下發生的短期疲勞損傷如下。

(15)

式中：Di為表示第i個海況中產生的疲勞損傷；kh為鋼材參數。當材料為低碳鋼時kh=1；當材料型號為H32時kh=0.962；材料型號為H36時kh=0.885；材料型號為H40時kh=0.87。

當板厚小于22 mm時，kt=1。

累積疲勞損傷值D為

(16)

對于雙直線S-N曲線，結構的總體疲勞損傷可以表示為

(17)

式中：μi表示S-N曲線下半段的疲勞貢獻因子，當短期海況應力范圍符合瑞利分布時，

μi=1-

2 疲勞分析位置選擇和計算結果

從結構發生突變和受到頻繁的交變應力兩方面考慮，選擇上斜旁與甲板連接處大肘板的趾端進行疲勞壽命校核，計算結果表明，與船艏部甲板連接處的趾端疲勞壽命均大于500年，滿足設計疲勞壽命。

與船艉部居住艙室處甲板連接處趾端疲勞壽命分別為290年和85年，滿足設計疲勞壽命。

3 LNG船疲勞壽命校核時節點位置選擇原則

ABS對于LNG運輸船疲勞壽命校核的節點選擇如下。

上斜旁板與貨艙穹頂內甲板的連接處；上斜旁板與貨艙內縱壁的連接處，見圖1。

圖1 上斜旁艙壁附近疲勞壽命校核點

下斜旁板與貨艙內底板的連接處；下斜旁板與貨艙內縱壁的連接處，見圖2。

圖2 上斜旁艙壁附近疲勞壽命校核點

邊壓載艙內縱向骨材與橫向肋板連接處，見圖3。

圖3 底邊艙縱向骨材與橫向構件連接處疲勞壽命校核點

雙層底縱桁與橫隔艙艙壁連接處，見圖4。

圖4 三向構件結合處疲勞壽命校核點

邊壓載艙縱向桁材與橫隔艙連接處，見圖5。

圖5 三向構件結合處疲勞壽命校核點

穹頂大開口，見圖6。

圖6 大開口處疲勞壽命校核點

上斜旁板盡頭與上建連接處及船艏部連接處的大肘板，見圖7。

圖7 結構突變處疲勞壽命校核點

船中位置甲板上小的甲板室開口以及甲板室圍壁與甲板的連接處，見圖8。

圖8 小型甲板室與甲板連接處疲勞壽命校核點

貨物機械室端頭與甲板連接處，見圖9。

圖9 大型甲板室與甲板連接處疲勞壽命校核點

位置選擇的主要特點包括：主要結構發生突變處如上斜旁板與甲板的連接處、各種折角的位置、受力條件復雜的位置如縱向強結構與橫艙壁以及內底板連接處，縱向強結構與橫艙壁及內縱壁連接處等，當3個強力構件相交時就需要留意該處的疲勞強度問題。甲板大開口處如液穹、氣穹開口處，電纜通道。

在實船建造過程中，上述區域的結構板厚及材料等級與相鄰部位相比有所增加。對于3個強力構件相交的位置，還特別提出了關于角焊縫的光順打磨要求。常規光順打磨僅做到表面光順，并不能真正起到延長疲勞壽命的作用，需要做到角焊縫剖面與相鄰的艙壁光順過渡才能達到抗疲勞的目的。

4 結論

經過計算，原設計在上斜旁與甲板連接處過渡肘板趾端的疲勞強度是足夠的。

疲勞強度與屈服強度之間存在一定的關系，易發生疲勞損傷的節點位置與高應力節點位置之間也存在一定的關系。在疲勞分析之前應通過全船有限元分析找出高應力點或應力集中點的位置，對劃定的疲勞分析點位進行補充。

對于易發生疲勞損傷的位置可以通過加大板厚，焊縫處進行光順打磨，增加肘板，適當延長趾端等方式增加節點彈性，延長疲勞壽命。

關于焊縫處光順打磨延長疲勞壽命的做法是有效果的，但是針對不同板厚、不同焊角尺寸，如何堆焊打磨才能形成最好的效果，目前還沒有形成普遍共識。相信在不久的將來能夠出現一個被普遍接受的標準，以便更好地對現場施工及檢驗進行指導。