朱雨生，曹俊偉

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽(yáng) 471000；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064）

1 引言

近年來(lái)，海上執(zhí)行任務(wù)越來(lái)越頻繁，任務(wù)周期越來(lái)越長(zhǎng)。海上波浪復(fù)雜多變，船舶在海上航行，在復(fù)雜海況下船體結(jié)構(gòu)也隨之產(chǎn)生交變響應(yīng)。在交變載荷作用下，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中應(yīng)變應(yīng)力較大的典型節(jié)點(diǎn)易發(fā)生疲勞問(wèn)題。

針對(duì)船體結(jié)構(gòu)典型節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度問(wèn)題，學(xué)者們開(kāi)展了一系列研究。楊永祥等采用熱點(diǎn)應(yīng)力法對(duì)某一巴拿馬型成品油輪疲勞熱點(diǎn)位置處（內(nèi)底與底邊艙斜板的焊接折角）的疲勞應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)JTP 規(guī)范對(duì)熱點(diǎn)位置的疲勞壽命進(jìn)行了評(píng)估。范云等CSR 規(guī)范中的油船疲勞強(qiáng)度有限元分析的要求，采用直接計(jì)算的方法分析不同的節(jié)點(diǎn)形式對(duì)疲勞損傷的影響。本文針對(duì)某船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了船體結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)剖面和典型節(jié)點(diǎn)評(píng)估位置。主要典型節(jié)點(diǎn)位于中部底邊艙斜板與內(nèi)底板的連接折角處、底邊艙斜板與內(nèi)舷板的連接折角處、甲板與槽形艙壁的連接處、內(nèi)底板與槽形艙壁連接處，依據(jù)《船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南》（2021），選取船體中部區(qū)域5 種典型節(jié)點(diǎn)對(duì)該船進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估。

2 總體介紹

2.1 船型介紹

本論文的對(duì)象船的船長(zhǎng)77.8m，船寬14.8m，型深6.10m，吃水為4.7m。

2.2 計(jì)算工況

按照《船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南》（2021）的規(guī)定，按規(guī)范初步核算下列工況：滿載出港工況；空載到港工況。在計(jì)算波浪彎矩時(shí)取波峰或波谷在船中狀態(tài)，對(duì)應(yīng)中拱和中垂兩種工況。兩種工況裝載情況如表1所示。

表1 作業(yè)工況組合表

2.3 計(jì)算載荷

依據(jù)規(guī)范載荷包括以下項(xiàng)目：垂向彎矩；舷外水壓力；貨物壓力及液體壓力，見(jiàn)圖1和圖2所示。

圖1 舷外水壓力加載圖

圖2 貨物壓力及液體壓力加載圖

2.4 邊界條件

3 疲勞評(píng)估公式

3.1 熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算

在船舶與海洋工程領(lǐng)域，世界各大船級(jí)社（DNV，CCS 等）基本都推薦采用t×t 的網(wǎng)格尺寸，取距焊趾0.5t和1.5t 處為計(jì)算參考點(diǎn)。在從有限元模型中提取熱點(diǎn)應(yīng)力后，進(jìn)行插值，即由t/2 和3t/2 處的最大主應(yīng)力外插得到焊趾（熱點(diǎn)）處的應(yīng)力，熱點(diǎn)應(yīng)力按公式（1）計(jì)算得到。

3.2 疲勞壽命評(píng)估方法

根據(jù)《船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南》（2021），疲勞壽命評(píng)估按照下述方法進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在工況“（k）”時(shí)的累積損傷度Dk 應(yīng)按下式計(jì)算：

S-N 曲線選用規(guī)范中CCS-C 曲線和CCS-D 曲線。K 和S取值見(jiàn)表2。

表2 K 和Sq 取值表

4 疲勞評(píng)估結(jié)果

4.1 評(píng)估疲勞熱點(diǎn)

如圖3（a）是中部51#肋位船底縱骨細(xì)化具體位置示意圖，（b）中部51#肋位船底縱骨滿載中垂應(yīng)力云圖對(duì)比圖。

圖3 51#底邊艙斜板與內(nèi)底板的連接折角處細(xì)化及其應(yīng)力

如圖4（a）是2 號(hào)和3 號(hào)貨艙51#中間艙口角隅細(xì)化具體位置示意圖，（b）2 號(hào)和3 號(hào)貨艙51#中間艙口角隅滿載中垂應(yīng)力云圖對(duì)比圖。

圖4 51#貨艙中間艙口角隅細(xì)化及第一主應(yīng)力

如圖5（a）是中部60#肋位內(nèi)舷側(cè)與內(nèi)底相交處細(xì)化具體位置示意圖，（b）中部60#肋位內(nèi)舷側(cè)與內(nèi)底相交處滿載中垂應(yīng)力云圖對(duì)比圖。

圖5 60#內(nèi)底板與槽型橫艙壁連接處細(xì)化及其應(yīng)力

如圖6（a）是中部76#槽型艙壁與縱桁相交處細(xì)化具體位置示意圖，（b）中部76#槽型艙壁與縱桁相交處滿載中垂應(yīng)力云圖對(duì)比圖。

圖6 76#槽型艙壁與主甲板連接處細(xì)化及其應(yīng)力

如圖7（a）是80#強(qiáng)框架與主甲板和縱艙壁交接處細(xì)化具體位置示意圖，（b）是80#強(qiáng)框架與主甲板和縱艙壁交接處滿載中垂應(yīng)力云圖對(duì)比圖。

圖7 80#強(qiáng)框架與主甲板和縱艙壁交接處細(xì)化及其應(yīng)力

5 結(jié)論

針對(duì)某船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了船體結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)剖面和典型節(jié)點(diǎn)評(píng)估位置；依據(jù)規(guī)范，選取船體中部區(qū)域5種典型節(jié)點(diǎn)對(duì)該船進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估。疲勞壽命評(píng)估結(jié)果如下：

表3 典型節(jié)點(diǎn)疲勞評(píng)估結(jié)果

綜上所述，得到如下結(jié)論：

（1）經(jīng)過(guò)計(jì)算，典型節(jié)點(diǎn)1、2 和3 在滿載和壓載工況的熱點(diǎn)應(yīng)力最大值介于（80～110）MPa，但是對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)應(yīng)力范圍較小，評(píng)估得到的疲勞壽命遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)壽命30年；典型節(jié)點(diǎn)4 和5 在滿載和壓載工況的熱點(diǎn)應(yīng)力最大值介于（110～130）MPa，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)應(yīng)力范圍最大值介于（40～50）MPa，評(píng)估得到的疲勞壽命介于（200～300）年，滿足設(shè)計(jì)壽命30年的要求。

（2）通過(guò)對(duì)某船進(jìn)行有限元計(jì)算及典型節(jié)點(diǎn)的疲勞評(píng)估，各典型節(jié)點(diǎn)均滿足壽命大于30年的要求，滿足規(guī)范需求。