船舶结构疲劳强度评估方法研究.docx

1、船舶结构疲劳强度评估方法研究 摘 要：船舶结构疲劳强度评估其实是船舶力学研究的一个主要的方面之一，并且由于船舶在远洋航海中发挥着重要的作用，所以本文主要是对船舶结构疲劳强度评估方法进行了研究与分析。 关键词：船舶结构 疲劳强度 评估方法 研究 1.引言 船舶在使用的过程中，疲劳破坏一直是影响船舶使用寿命的主要原因之一，并且也是使得船舶出现结构性问题的主要模式，并且随着船舶业的不断发展，船舶结构的疲劳断裂问题一直是造船专业和造船业研究与分析的重点。随着近几年来我国社会经济与人们生活的不断发展与进步，造船业的发展也是比较快的，经济的发展促进了造船技术的不断进步，所以这就使得在对船舶疲劳破坏问题的研

2、究上就出现了许多的观点，船舶结构疲劳强度评估方法和理论也在不断的更新。但是在实际的生活中，我们从船舶结构疲劳强度评估方法的实用性来看，现在社会人们对船舶结构疲劳 强度评估所采用的方法主要是简化方法、谱分析方法、设计波法、断裂力学方法以及概率 S-N曲线方法和概率断裂力学的方法。所以本文就主要对这些方法进行了解释和说明，希望能够为人们在实际的生活中应用这些方法来评估船舶结构疲劳强度提供一些借鉴作用。 2.船舶结构出现疲劳的原因 我们所说的船舶结构出现疲劳其实主要是由于船舶在使用的过程中出现微裂纹以及这些微裂纹出现了扩展的过程。微裂纹的出现主要是由于船舶在使用的过程中船体的各种各样的构件是会承受各

3、种各样的载荷所引起的交变应力，并且船舶在使用的过程中并不 是船体的每个构件都是完美的，没有一丝的缺陷的，有可能会存在例如气泡、夹层等等一些问题。由于这些问题的存在，一旦当船舶的交变应力超过船体所能承受的限度的时候，船体的构件应力就会在最大的区域内的一些问题就会导致微裂纹的出现。并且由于微裂纹的尖端处的应力是比较集中的，并且随着应力循环次数的不断增加，微裂纹就会不断的扩展，如果微裂纹一旦达到了一定的面积的话，船体的构件就会发生脆性断裂。 3.船舶结构疲劳强度评估的简化方法 （ 1）船舶结构疲劳强度评估简化方法的基本体系。 我们在对船舶结构 疲劳强度进行评估的时候，一般所采用的简单方法主要是选择满

4、载和压载这两种船舶的装载状态来对船舶结构疲劳强度来进行评估，并且我们在对工况进行计算的时候主要是通过这两种状态来进行计算的。我们在通过压载的状态来计算工况的时候我们是要考虑到一种或者是多种的工况的，例如， ABS 其实主要是考虑和计算 10 种装载的工况数的，DNV、 CCS、 CSR 等则主要是要考虑和计算到满载和压载的工况数的。我们计算出来的每一个工况数之后，我们都要利用经验和公式来不断的计算出在每一个工况数对应之下的某一超越概率水平下的波浪诱导载荷值和运动响应 值，然后我们就需要计算出由于船体的运动使得船上所装载的货物对船体的动载荷的影响。但是我们在实际进行计算的过程中，我们其实首先是要

5、计算船体的梁载荷诱导的船体梁应力，然后我们还要计算由于外部的水动压力以及船体的运动使得的船体内部所装载的货物由于惯性力等一些局部的载荷所产生的局部的 ?毫 詈螅 ?我们要对船体的梁应力和一些船体的局部应力进行组合，这样才能够计算出一个参考的应力。我们计算出参考应力之后，并且我们还要根据参考应力以及参考应力所对应的概率水平，经过这样的计算，我们就可以对应力的长期分布范围有一些数值的表现 ，然后我们就可以根据 S-N曲线及 Miner线性的累积损伤理论，就可以得出船舶结构疲劳累积损伤度了，这样就对船舶结构疲劳强度有一个评估了。 （ 2）船体梁应力。 我们在使用船舶的时候都应该考虑到船体梁应力，其实

6、主要是考虑船体梁垂向弯矩及水平弯矩诱导的船体梁应力。我们在计算波浪诱导的垂向弯矩的时候一般都是使用 IACS 推荐的计算公式，但是我们在计算的时候是有一定的差距的。并且由于使用的计算方式的不同，对船体梁应力计算之后，船体梁应力的组合方式也是不同的。 4.船舶结构疲劳强度评估的谱分 析方法 （ 1）船舶疲劳的载荷。 我们在对船舶结构疲劳强度进行评估的时候，对于船舶疲劳的载荷的计算是十分重要的，尤其是在直接的计算方法之中。现在，我们对船舶疲劳载荷的计算方法主要是线 2D切片法和线 3D方法。其中我们在计算船舶疲劳载荷的时候使用 2D 切片法是能够较好的反映和预报波浪的载荷的，而且与3D 方法相比较

7、是比较的节省时间和节省精力，但是我们在使用谱分析方法来进行评估的时候，我们是需要对波长与浪向所组合的载荷进行大量的计算和预报，这就浪费了大量的时间与精力，在这一方面我们是使用 2D 切片法的 效果是比较好的。我们在对船舶结构疲劳腔骨进行评估的时候使用 3D方法，这主要是由于 3D 方法对于计算一些有航速、载荷分布沿船长方向有变化的船体水动力问题方面发挥着较好的效果。但是在实际的使用的过程中， 3D方法与 2D切片法相比， 3D方法是比较实用的。但是由于我们在使用谱分析方法来对船舶结构疲劳强度进行评估的时候，我们要计算载荷之间的相位关系，而且也要注意到非线性波浪载荷对疲劳损伤的影响。但是由于现在

8、学者以及社会的应用方面对非线性波浪载荷，特别是对砰击响应后的合成载荷对船舶结构疲劳损伤影响的研究和分析是没有一些成熟 的理论来进行支持的，并且学者对这方面的工作是处于一个起步的阶段的，所以这就使得计算出来的结果是存在着一定的差异的。所以，现在我们对船舶结构疲劳强度的评估方法其实主要是要以线性波浪载荷为基础来不断的发展船舶结构疲劳强度评估的方法。 （ 2）疲劳应力的计算、短期预报以及长期预报。 我们在对船舶结构疲劳强度进行评估的时候使用谱分析的方法，首先是我们要对船舶疲劳的载荷进行分析与计算，然后我们就应该对船舶的疲劳应力、短期预报和长期预报进行分析与研究。例如，我们在对船舶的疲劳应力进行计算的

9、时候主要是包 括结构的模型化分析、载荷的施加以及应力的分析。我们对结构模型的分析主要是要考虑到计算应力集中，并且我们还需要用细网格或者是局部细化的技术来计算应力。 短期预报主要是包括海浪谱、长峰波与短峰波、长峰波与短峰波等方面。我们在对船舶疲劳应力进行短期预报的时候，对船舶结构疲劳分析多使用 ISSC 推荐的双参数的 P-M 谱。对长峰波与短峰波的计算则主要是采用 cos2 的函数。 我们在进行长期预报的时候其实主要是对船体在使用的年限之内所遇到的一些各种各样的情况进行分析与研究，并且还需要海浪的散布图来进行描述。有 时候人们认为一些操纵的参数是与海浪没有关系的，但是在实际的情况中，并不是人们

10、这样认为的。因为在一些气候或者是环境十分恶劣的时候，例如，台风、暴雨等情况发生的时候是会对船舶的行驶产生很大的影响的，有时候还会导致船舶出现失速的情况，并且这种情况的出现还会使得压载的分布随着海况的变化而发生变化，所以这就需要我们要根据一些操纵参数来建立正确的模型。 5.设计波方法 我们在对船舶结构疲劳强度进行评估的时候使用谱分析方法是需要计算大量的工况的，但是我们在使用设计波方法来计算和评估船舶的疲劳的时候，这 是与谱分析方法是十分不同的，这主要是由于设计波方法主要是通过减少工况来使得船舶结构分析工作不断的简化。 （ 1）设计波的选择。 我们在对船舶结构疲劳强度进行评估的时候使用设计波方法，

11、首先是要对设计波进行选择，我们在选择设计波的时候主要是为了判断引起船舶的疲劳损伤的设计响应。我们在对设计响应进行判断的时候主要是分为两种，分别是载荷响应和运动响应。并且我们在对这两方面进行计算和分析的时候，设计响应设计波的浪向和频率作为我们设计响应的传递函数的最大值岁对应的浪向和频率。 （ 2）应力范围 的长期分布 我们在船舶的疲劳强度进行分析与评估的时候，使用设计波方法来进行计算和评估的时候还要对应力范围的长期分布来进行处理，我们对应力范围的长期分布其实主要是使用 Weibull来进行分布处理，并且我们在对梁应力进行计算的时候主要是使用有限元模型来进行计算，而且我们在进行计算的时候还需要将水线附近的一些压力的非线性的影响也是要考虑和计算在里面的，这样才能够保证我们对应力范围的长期分布有一个正确的计算。 6.结束语 由于对船舶结构疲劳强度的评估是十分重要的，并且随着现代社会的不断 发展，船舶作为远洋交通的一个重要的载体是十分重要的，所以本文就主要对船舶结构疲劳强度评估的方法进行了分析与研究，希望可以 ?榇 ?舶结构疲劳强度评估提供一定的借鉴作用。 参考文献： 邵晨国，冯春光 .船舶结构疲劳简介 J.工程技术， 2013（ 09） . 骆寒冰，王国庆，祁恩荣 .大型 LNG船舶结构疲劳强度评估研究 J.舰船科学技术， 2008（ 02） .