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船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法研究

2017-10-10 08:25葉保善
珠江水運(yùn) 2017年17期
關(guān)鍵詞:評(píng)估方法研究

葉保善

摘 要:船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估其實(shí)是船舶力學(xué)研究的一個(gè)主要的方面之一,并且由于船舶在遠(yuǎn)洋航海中發(fā)揮著重要的作用,所以本文主要是對(duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法進(jìn)行了研究與分析。

關(guān)鍵詞:船舶結(jié)構(gòu) 疲勞強(qiáng)度 評(píng)估方法 研究

1.引言

船舶在使用的過(guò)程中,疲勞破壞一直是影響船舶使用壽命的主要原因之一,并且也是使得船舶出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性問(wèn)題的主要模式,并且隨著船舶業(yè)的不斷發(fā)展,船舶結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂問(wèn)題一直是造船專業(yè)和造船業(yè)研究與分析的重點(diǎn)。隨著近幾年來(lái)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與人們生活的不斷發(fā)展與進(jìn)步,造船業(yè)的發(fā)展也是比較快的,經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促進(jìn)了造船技術(shù)的不斷進(jìn)步,所以這就使得在對(duì)船舶疲勞破壞問(wèn)題的研究上就出現(xiàn)了許多的觀點(diǎn),船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法和理論也在不斷的更新。但是在實(shí)際的生活中,我們從船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法的實(shí)用性來(lái)看,現(xiàn)在社會(huì)人們對(duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估所采用的方法主要是簡(jiǎn)化方法、譜分析方法、設(shè)計(jì)波法、斷裂力學(xué)方法以及概率S-N曲線方法和概率斷裂力學(xué)的方法。所以本文就主要對(duì)這些方法進(jìn)行了解釋和說(shuō)明,希望能夠?yàn)槿藗冊(cè)趯?shí)際的生活中應(yīng)用這些方法來(lái)評(píng)估船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度提供一些借鑒作用。

2.船舶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞的原因

我們所說(shuō)的船舶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞其實(shí)主要是由于船舶在使用的過(guò)程中出現(xiàn)微裂紋以及這些微裂紋出現(xiàn)了擴(kuò)展的過(guò)程。微裂紋的出現(xiàn)主要是由于船舶在使用的過(guò)程中船體的各種各樣的構(gòu)件是會(huì)承受各種各樣的載荷所引起的交變應(yīng)力,并且船舶在使用的過(guò)程中并不是船體的每個(gè)構(gòu)件都是完美的,沒(méi)有一絲的缺陷的,有可能會(huì)存在例如氣泡、夾層等等一些問(wèn)題。由于這些問(wèn)題的存在,一旦當(dāng)船舶的交變應(yīng)力超過(guò)船體所能承受的限度的時(shí)候,船體的構(gòu)件應(yīng)力就會(huì)在最大的區(qū)域內(nèi)的一些問(wèn)題就會(huì)導(dǎo)致微裂紋的出現(xiàn)。并且由于微裂紋的尖端處的應(yīng)力是比較集中的,并且隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的不斷增加,微裂紋就會(huì)不斷的擴(kuò)展,如果微裂紋一旦達(dá)到了一定的面積的話,船體的構(gòu)件就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。

3.船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估的簡(jiǎn)化方法

(1)船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估簡(jiǎn)化方法的基本體系。

我們?cè)趯?duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估的時(shí)候,一般所采用的簡(jiǎn)單方法主要是選擇滿載和壓載這兩種船舶的裝載狀態(tài)來(lái)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行評(píng)估,并且我們?cè)趯?duì)工況進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候主要是通過(guò)這兩種狀態(tài)來(lái)進(jìn)行計(jì)算的。我們?cè)谕ㄟ^(guò)壓載的狀態(tài)來(lái)計(jì)算工況的時(shí)候我們是要考慮到一種或者是多種的工況的,例如,ABS其實(shí)主要是考慮和計(jì)算10種裝載的工況數(shù)的,DNV、CCS、CSR等則主要是要考慮和計(jì)算到滿載和壓載的工況數(shù)的。我們計(jì)算出來(lái)的每一個(gè)工況數(shù)之后,我們都要利用經(jīng)驗(yàn)和公式來(lái)不斷的計(jì)算出在每一個(gè)工況數(shù)對(duì)應(yīng)之下的某一超越概率水平下的波浪誘導(dǎo)載荷值和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)值,然后我們就需要計(jì)算出由于船體的運(yùn)動(dòng)使得船上所裝載的貨物對(duì)船體的動(dòng)載荷的影響。但是我們?cè)趯?shí)際進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中,我們其實(shí)首先是要計(jì)算船體的梁載荷誘導(dǎo)的船體梁應(yīng)力,然后我們還要計(jì)算由于外部的水動(dòng)壓力以及船體的運(yùn)動(dòng)使得的船體內(nèi)部所裝載的貨物由于慣性力等一些局部的載荷所產(chǎn)生的局部的壓力。最后,我們要對(duì)船體的梁應(yīng)力和一些船體的局部應(yīng)力進(jìn)行組合,這樣才能夠計(jì)算出一個(gè)參考的應(yīng)力。我們計(jì)算出參考應(yīng)力之后,并且我們還要根據(jù)參考應(yīng)力以及參考應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的概率水平,經(jīng)過(guò)這樣的計(jì)算,我們就可以對(duì)應(yīng)力的長(zhǎng)期分布范圍有一些數(shù)值的表現(xiàn),然后我們就可以根據(jù)S-N曲線及Miner線性的累積損傷理論,就可以得出船舶結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷度了,這樣就對(duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度有一個(gè)評(píng)估了。

(2)船體梁應(yīng)力。

我們?cè)谑褂么暗臅r(shí)候都應(yīng)該考慮到船體梁應(yīng)力,其實(shí)主要是考慮船體梁垂向彎矩及水平彎矩誘導(dǎo)的船體梁應(yīng)力。我們?cè)谟?jì)算波浪誘導(dǎo)的垂向彎矩的時(shí)候一般都是使用IACS推薦的計(jì)算公式,但是我們?cè)谟?jì)算的時(shí)候是有一定的差距的。并且由于使用的計(jì)算方式的不同,對(duì)船體梁應(yīng)力計(jì)算之后,船體梁應(yīng)力的組合方式也是不同的。

4.船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估的譜分析方法

(1)船舶疲勞的載荷。

我們?cè)趯?duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估的時(shí)候,對(duì)于船舶疲勞的載荷的計(jì)算是十分重要的,尤其是在直接的計(jì)算方法之中?,F(xiàn)在,我們對(duì)船舶疲勞載荷的計(jì)算方法主要是線2D切片法和線3D方法。其中我們?cè)谟?jì)算船舶疲勞載荷的時(shí)候使用2D切片法是能夠較好的反映和預(yù)報(bào)波浪的載荷的,而且與3D方法相比較是比較的節(jié)省時(shí)間和節(jié)省精力,但是我們?cè)谑褂米V分析方法來(lái)進(jìn)行評(píng)估的時(shí)候,我們是需要對(duì)波長(zhǎng)與浪向所組合的載荷進(jìn)行大量的計(jì)算和預(yù)報(bào),這就浪費(fèi)了大量的時(shí)間與精力,在這一方面我們是使用2D切片法的效果是比較好的。我們?cè)趯?duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞腔骨進(jìn)行評(píng)估的時(shí)候使用3D方法,這主要是由于3D方法對(duì)于計(jì)算一些有航速、載荷分布沿船長(zhǎng)方向有變化的船體水動(dòng)力問(wèn)題方面發(fā)揮著較好的效果。但是在實(shí)際的使用的過(guò)程中,3D方法與2D切片法相比,3D方法是比較實(shí)用的。但是由于我們?cè)谑褂米V分析方法來(lái)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估的時(shí)候,我們要計(jì)算載荷之間的相位關(guān)系,而且也要注意到非線性波浪載荷對(duì)疲勞損傷的影響。但是由于現(xiàn)在學(xué)者以及社會(huì)的應(yīng)用方面對(duì)非線性波浪載荷,特別是對(duì)砰擊響應(yīng)后的合成載荷對(duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞損傷影響的研究和分析是沒(méi)有一些成熟的理論來(lái)進(jìn)行支持的,并且學(xué)者對(duì)這方面的工作是處于一個(gè)起步的階段的,所以這就使得計(jì)算出來(lái)的結(jié)果是存在著一定的差異的。所以,現(xiàn)在我們對(duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的評(píng)估方法其實(shí)主要是要以線性波浪載荷為基礎(chǔ)來(lái)不斷的發(fā)展船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估的方法。

(2)疲勞應(yīng)力的計(jì)算、短期預(yù)報(bào)以及長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。

我們?cè)趯?duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估的時(shí)候使用譜分析的方法,首先是我們要對(duì)船舶疲勞的載荷進(jìn)行分析與計(jì)算,然后我們就應(yīng)該對(duì)船舶的疲勞應(yīng)力、短期預(yù)報(bào)和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)進(jìn)行分析與研究。例如,我們?cè)趯?duì)船舶的疲勞應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候主要是包括結(jié)構(gòu)的模型化分析、載荷的施加以及應(yīng)力的分析。我們對(duì)結(jié)構(gòu)模型的分析主要是要考慮到計(jì)算應(yīng)力集中,并且我們還需要用細(xì)網(wǎng)格或者是局部細(xì)化的技術(shù)來(lái)計(jì)算應(yīng)力。endprint

短期預(yù)報(bào)主要是包括海浪譜、長(zhǎng)峰波與短峰波、長(zhǎng)峰波與短峰波等方面。我們?cè)趯?duì)船舶疲勞應(yīng)力進(jìn)行短期預(yù)報(bào)的時(shí)候,對(duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞分析多使用ISSC推薦的雙參數(shù)的P-M譜。對(duì)長(zhǎng)峰波與短峰波的計(jì)算則主要是采用cos2的函數(shù)。

我們?cè)谶M(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的時(shí)候其實(shí)主要是對(duì)船體在使用的年限之內(nèi)所遇到的一些各種各樣的情況進(jìn)行分析與研究,并且還需要海浪的散布圖來(lái)進(jìn)行描述。有時(shí)候人們認(rèn)為一些操縱的參數(shù)是與海浪沒(méi)有關(guān)系的,但是在實(shí)際的情況中,并不是人們這樣認(rèn)為的。因?yàn)樵谝恍夂蚧蛘呤黔h(huán)境十分惡劣的時(shí)候,例如,臺(tái)風(fēng)、暴雨等情況發(fā)生的時(shí)候是會(huì)對(duì)船舶的行駛產(chǎn)生很大的影響的,有時(shí)候還會(huì)導(dǎo)致船舶出現(xiàn)失速的情況,并且這種情況的出現(xiàn)還會(huì)使得壓載的分布隨著海況的變化而發(fā)生變化,所以這就需要我們要根據(jù)一些操縱參數(shù)來(lái)建立正確的模型。

5.設(shè)計(jì)波方法

我們?cè)趯?duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估的時(shí)候使用譜分析方法是需要計(jì)算大量的工況的,但是我們?cè)谑褂迷O(shè)計(jì)波方法來(lái)計(jì)算和評(píng)估船舶的疲勞的時(shí)候,這是與譜分析方法是十分不同的,這主要是由于設(shè)計(jì)波方法主要是通過(guò)減少工況來(lái)使得船舶結(jié)構(gòu)分析工作不斷的簡(jiǎn)化。

(1)設(shè)計(jì)波的選擇。

我們?cè)趯?duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估的時(shí)候使用設(shè)計(jì)波方法,首先是要對(duì)設(shè)計(jì)波進(jìn)行選擇,我們?cè)谶x擇設(shè)計(jì)波的時(shí)候主要是為了判斷引起船舶的疲勞損傷的設(shè)計(jì)響應(yīng)。我們?cè)趯?duì)設(shè)計(jì)響應(yīng)進(jìn)行判斷的時(shí)候主要是分為兩種,分別是載荷響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。并且我們?cè)趯?duì)這兩方面進(jìn)行計(jì)算和分析的時(shí)候,設(shè)計(jì)響應(yīng)設(shè)計(jì)波的浪向和頻率作為我們?cè)O(shè)計(jì)響應(yīng)的傳遞函數(shù)的最大值歲對(duì)應(yīng)的浪向和頻率。

(2)應(yīng)力范圍的長(zhǎng)期分布

我們?cè)诖暗钠趶?qiáng)度進(jìn)行分析與評(píng)估的時(shí)候,使用設(shè)計(jì)波方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估的時(shí)候還要對(duì)應(yīng)力范圍的長(zhǎng)期分布來(lái)進(jìn)行處理,我們對(duì)應(yīng)力范圍的長(zhǎng)期分布其實(shí)主要是使用Weibull來(lái)進(jìn)行分布處理,并且我們?cè)趯?duì)梁應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候主要是使用有限元模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算,而且我們?cè)谶M(jìn)行計(jì)算的時(shí)候還需要將水線附近的一些壓力的非線性的影響也是要考慮和計(jì)算在里面的,這樣才能夠保證我們對(duì)應(yīng)力范圍的長(zhǎng)期分布有一個(gè)正確的計(jì)算。

6.結(jié)束語(yǔ)

由于對(duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的評(píng)估是十分重要的,并且隨著現(xiàn)代社會(huì)的不斷發(fā)展,船舶作為遠(yuǎn)洋交通的一個(gè)重要的載體是十分重要的,所以本文就主要對(duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估的方法進(jìn)行了分析與研究,希望可以為船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估提供一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn):

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