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(哈爾濱工程大學(xué) 船舶與海洋工程力學(xué)研究所,哈爾濱 150001)

由于工作環(huán)境的原因，疲勞破壞是船舶結(jié)構(gòu)破壞的主要破壞形式之一。各船級社的疲勞損傷計算方法以及現(xiàn)有的直接計算法，均基于Miner線性疲勞損傷理論。由于船體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，常常不能在已有的S-N曲線中找到可直接比擬的類型，此時需要采用熱點應(yīng)力法來進行這些部位的疲勞評估。熱點處的應(yīng)力一般采用插值方法進行計算，由于熱點區(qū)域應(yīng)力梯度比較大，不同的插值方式求得的熱點應(yīng)力值會不一樣，而且可能會有很大的差別，對疲勞損傷產(chǎn)生很大影響。新公布的《散貨船、油船協(xié)調(diào)共同規(guī)范》(HCSR)中對應(yīng)力插值方式做了更細致的要求。本文將對已知的一些插值方法，包括JIP FPSO 、OSAWA、CSR-OT、CSR-BC、DNV、HCSR(2012-07月版本和12月版本)方法以及實體結(jié)構(gòu)進行研究比較，驗證HCSR插值方式的合理性。

1 熱點應(yīng)力插值方法簡介

1)JIP FPSO_A方法。JIP FPSO_A代表一般方法，應(yīng)力閱讀點取兩個點(0.5 t和1.5 t)，利用表面應(yīng)力線性外插到熱點處，選取±45°范圍內(nèi)的主應(yīng)力。

2)JIP FPSO_B方法。代表簡化方法，應(yīng)力閱讀點只取一個點(0.5 t)[1]。

3)DNV方法。對于一般熱點采用插值方式同JIP FPS_A方法。對于十字相交位置，插值方式是DNV CN30.7 Method (Lotsberg方法)。應(yīng)力閱讀點為

式中：xwt——焊腳長度。

熱點應(yīng)力計算方法為

σhotspot=[σmembrane(xshift)+σbending(xshift)]×0.6β

(1)

式中：σmembrane(xshift)——偏移位置的中面應(yīng)力；

σbending(xshift)——偏移位置的彎曲應(yīng)力；

β——修正因子[2]。

4)CSR_OT方法。熱點應(yīng)力位于

其中：xwt——焊腳長[3]。

5)CSR_BC方法。一般熱點插值方式同JIP FPSO_A，散貨船的加強板十字連接是在JIP FPSO_A方法基礎(chǔ)上加一個修正系數(shù)λ[4]。

6)HCSR方法。對于一般熱點，應(yīng)力參考點取為據(jù)熱點t1/2處，對于十字相交位置與DNV方法一樣，只是β系數(shù)不一樣。應(yīng)力閱讀點為

熱點應(yīng)力計算方法為

σhotspot=[σmembrane(xshift)+σbending(xshift)]×0.6β

(2)

HCSR 07月版本和12月版本的應(yīng)力讀取差別如下。

7月版本應(yīng)力讀取方式見圖1，選取線A-A兩邊的單元分別計算；12月版本的規(guī)范規(guī)定應(yīng)力讀取方法見圖2，選取線A-A兩端單元應(yīng)力的平均值作為應(yīng)力閱讀點的應(yīng)力。

圖1 7月版本規(guī)范應(yīng)力讀取方式

圖2 12月版本規(guī)范應(yīng)力讀取方式

7)OSAWA方法。該方法的關(guān)鍵點在于應(yīng)力閱讀點，應(yīng)力閱讀點仍然取0.5 t和1.5 t，但是從偏離結(jié)構(gòu)交線的修正點開始計算。

應(yīng)力閱讀點為

(3)

式中：th——熱點區(qū)域主板厚度，偏移值Δ為：

(4)

符號代表含義見圖3。

圖3 參數(shù)示意

等價于實體單元應(yīng)力殼元修正應(yīng)力計算,在加強板十字連接的地方需要修正，對于一般細部，跳過此步驟。

2 插值方式的研究

2.1 研究思路

1)針對兩種不同的結(jié)構(gòu)形式(十字相交和焊趾結(jié)構(gòu))建立簡化模型(包括實體和殼體兩種類型)，施加兩種不同的載荷(集中力220 N，面壓力0.2 MPa)，應(yīng)用多種不同的插值方式進行計算并以實體單元計算結(jié)果為基準進行比較。

2)選擇一艘散貨船和一艘油船，根據(jù)HCSR的疲勞載荷規(guī)定進行加載分析，對油船底邊艙下折角，散貨船肋板焊趾處和底邊艙下折角，分別對不同的裝載模式下的典型設(shè)計波結(jié)果進行提取，所選設(shè)計波見表1。

表1 所選用的設(shè)計波

計算多種插值方式的計算結(jié)果，進行對比分析，最后對DNV方法、HCSR07月版方法、HCSR12月版方法，以CSR為基準，統(tǒng)一到D級S-N曲線上進行插值方式的比較。

2.2 選取模型

兩種簡化模型及載荷狀態(tài)見圖4、5，所選實船模型見圖6。

圖4 焊趾結(jié)構(gòu)模型及受力示意

圖5 十字相交模型及受力示意

圖6 熱點位置

3 計算結(jié)果及分析

3.1 簡化模型計算結(jié)果

十字相交結(jié)構(gòu)計算結(jié)果見表2，焊趾結(jié)構(gòu)計算結(jié)果見表3，簡化模型焊趾長度均取5 mm，應(yīng)力單位均為MPa。

表2 十字相交結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

表3 焊趾結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

分析計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于十字相交位置，各計算方法差別很大。HCSR方法計算結(jié)果小于實體單元計算結(jié)果，并且計算結(jié)果低于實體計算結(jié)果約15%；對于CSR-OT、DNV方法其計算結(jié)果均與實體計算結(jié)果最為接近；由于HCSR(7月版)方法、DNV方法對應(yīng)力閱讀點定義偏移距離增加了焊趾寬度，所以應(yīng)力計算結(jié)果偏??；JIP FPSO_A和JIP FPSO_B是針對一般熱點區(qū)域的插值方式計算的結(jié)果，高于實體計算結(jié)果，是最為保守的計算方法。

對于一般焊趾結(jié)構(gòu)，由于HCSR(7月版)、OSAWA與JIP FPSO_B方法計算結(jié)果一致，DNV方法與JIP FPSO_A計算結(jié)果一致；HCSR(12月版)在承受集中力時計算結(jié)果略小于實體外，其它計算結(jié)果均大于實體單元,且HCSR方法計算結(jié)果與實體最為接近。對于兩個版本的HCSR方法，在簡單受力狀態(tài)下，12月版本計算結(jié)果要小于7月版。

3.2 實船計算結(jié)果

3.2.1 油船計算結(jié)果

油船滿載模式下的計算結(jié)果以及與CSR-OT的比值見表4、5，油船正常壓載模式下的計算結(jié)果以及與CSR-OT的比值見表6、7，焊趾長度均取為10 mm。以下計算結(jié)果均為與焊縫垂直線±45°范圍內(nèi)的主應(yīng)力計算結(jié)果，而且均為兩主應(yīng)力中的較大者，單位均為MPa。

表4 滿載模式下插值計算結(jié)果

表5 滿載模式下計算結(jié)果與CSR比值

表6 正常壓載模式下插值計算結(jié)果

表7 正常壓載模式下計算結(jié)果與CSR比值

通過比較發(fā)現(xiàn)，對于油船十字相交結(jié)構(gòu)，JIP FPSO_A、JIP FPSO_B以及OSAWA方法計算結(jié)果與CSR相比計算結(jié)果較大，這與上一節(jié)簡單模型計算結(jié)果相符合；其中JIP FPSO_A計算結(jié)果超過CSR方法0.8倍，而對于DNV、HCSR方法計算結(jié)果要小于CSR方法，其中DNV方法更加接近CSR方法，而HCSR方法要小10%。

3.2.2 散貨船計算結(jié)果

散貨船肋板趾端在4個裝載模式下的計算結(jié)果見表8，底邊艙下折角結(jié)構(gòu)計算結(jié)果以及比值見表9。其它插值方法與CSR比值的平均結(jié)果見表10。以下計算結(jié)果均為與焊縫垂直線±45度范圍內(nèi)的主應(yīng)力計算結(jié)果，且大部分為主應(yīng)力中的較大者，其中十字相交結(jié)構(gòu)均勻裝載模式為±45°范圍外的主應(yīng)力比較大。

表8 焊趾結(jié)構(gòu)4個裝載模式下計算結(jié)果

對比計算數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，對于散貨船焊趾結(jié)構(gòu)，由于計算方法的相同性，JIP FPSO_A、DNV以及CSR方法的計算結(jié)果相同；其它插值方式總體小于焊趾結(jié)構(gòu)，個別工況下比CSR計算結(jié)果偏大，其中OSAWA方法與其結(jié)果比較接近，而HCSR的兩種計算方法比CSR方法計算要小超過10%。對于十字相交結(jié)構(gòu)，JIP FPSO_B方法和OSAWA方法計算結(jié)果相對比較接近CSR方法，而JIP PFSO_A方法要超過CSR方法25%，而DNV和HCSR方法計算結(jié)果要小于CSR方法，且差別較大。

3.3 統(tǒng)一到D級S-N曲線后的結(jié)果

由于特定的插值方法跟特定的S-N曲線對應(yīng)，所以單純主應(yīng)力比較不能反映插值對疲勞的影響，本節(jié)將對DNV方法、HCSR方法(分為7月版和12月版)、實體插值方法(IIW方法)統(tǒng)一到D級S-N曲線進行比較。表11為將一組S-N曲線統(tǒng)一到D級S-N曲線上的類型系數(shù)[6]。表12為油船底邊艙下折角統(tǒng)一到D級S-N曲線后結(jié)果，表13為散貨船熱點類型統(tǒng)一到D級S-N曲線后的結(jié)果。

表11 類型系數(shù)

注：HCSR統(tǒng)一到D曲線選用系數(shù)為1.12。

表12 油船十字相交結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

表13 散貨船兩種結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

統(tǒng)一到D級S-N曲線后，計算結(jié)果顯示HCSR方法要高于DNV方法，但是計算結(jié)果要小于CSR方法，2012-07月版本結(jié)果要更接近于CSR方法；對于油船兩個版本的HCSR方法計算結(jié)果相差很小，但是各個裝載模式下各個設(shè)計波計算結(jié)果顯示2012-12月版本計算結(jié)果要小于2012-07月版本；而對于散貨船，從各個裝載模式及工況下2012-12月版本計算結(jié)果要小于2012-07月版本，但是兩者計算結(jié)果偏差較大，對于焊趾類型，平均計算結(jié)果12月版本要小9.56%，十字相交結(jié)構(gòu)要小5.90%。

4 結(jié)論

1)通過簡單模型計算結(jié)果看出，JIP FPSO_A、JIP FPSO_B計算結(jié)果與其它插值方式差別較大，而各個船級社方法差別不大，尤其是當(dāng)統(tǒng)一到一條S-N曲線后結(jié)果更為接近；船級社規(guī)范插值方法尤其是HCSR方法與實體單元計算結(jié)果更為接近。

2)實船計算結(jié)果與簡單模型計算結(jié)果趨勢一致，HCSR方法計算結(jié)果均小于CSR方法，平均小18%，而且統(tǒng)一到一條S-N曲線后結(jié)果比較接近，但是結(jié)果仍小于CSR方法，平均小8.6%，所以舊的規(guī)范法方法更保守。

3)對于簡單模型，兩個版本的HCSR方法差別較大，但是對于復(fù)雜受力狀態(tài)的實際船舶來說，兩者計算結(jié)果差別不大，HCSR2012-12月版本計算結(jié)果均小于7月版本，平均小5.5%。

4)對于JIP FPSO_B方法以及OSAWA方法，對于十字相交結(jié)構(gòu)其計算結(jié)果高于CSR方法，而焊趾結(jié)構(gòu)計算結(jié)果要小于CSR 方法；而DNV方法與HCSR方法計算結(jié)果比較接近。

[1] Stephanie Maherault-Mougin,Bureau Veritas.Description of hot spot stress extrapolation procedures[R].DNV.2010.

[2] BAL G.bergan.Fatigue assessment of ship structure[M].DNV,2010.

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[4] 中國船級社.船體結(jié)構(gòu)疲勞強度指南[S].中國船級社上海規(guī)范研究所,2007.

[5] 蔣志巖,船舶結(jié)構(gòu)疲勞評估及其應(yīng)力分析方法研究[D].大連：大連理工大學(xué),2004.