小水线面双体船连接桥结构疲劳强度试验

甄春博，任慧龙，冯国庆，李陈峰

(哈尔滨工程大学多体船技术国防重点学科实验室，黑龙江哈尔滨150001)

小水线面双体船具有耐波性优良等特点，在军用和民用领域具有广阔的应用前景［1-2］.该型船主尺度一般比较小、外形特殊，所受波浪载荷复杂，且由于采用大量高强度钢，故整体刚度较常规船偏弱［3-5］.与常规单体船不同的连接桥结构，受力情况明显不同于常规船型，其疲劳强度问题显得特别突出.目前对其疲劳问题的研究大都采用依照规范的理论分析方法［6］.

疲劳评估的一个关键问题是选取合适的S-N曲线，对于小水线面双体船连接桥结构，现有规范没有合适的S-N曲线［7］.为了更合理地评估疲劳强度，用模型试验的方法确定该部位的S-N曲线特性非常必要.

目前，在船舶与海洋工程领域，疲劳试验主要集中于特定钢材或典型焊接节点型式的标准试件，针对实尺度结构模型的疲劳试验很少［8］.因此，针对小水线面双体船连接桥部位的特殊结构，制作实尺度结构模型，对被研制的结构部件在模拟真实载荷及环境下进行疲劳试验时，不仅能正确地评价结构部件的疲劳强度和疲劳特性，而且还能验证疲劳分析理论计算的预期效果，对现有评估方法进行修正.

本文针对某型小水线面双体船，采用全船有限元计算方法，确定了疲劳问题严重的部位.根据受疲劳影响区域的结构情况，设计典型节点疲劳强度试验模型.根据该船航行区域经常出现的海况确定载荷水平，进行典型节点实尺度结构模型疲劳强度试验，获取了典型节点在不同载荷水平下的疲劳寿命值，在此基础上得到S-N曲线特性，并对船体典型节点部位进行疲劳强度评估.

1 试验模型设计

小水线面双船体连接桥结构强度最弱且受力和变形最大的部位是支柱体上端和连接桥的根部.研究表明，横浪工况下的疲劳损伤占主导地位［9］.在此工况下，分析双船体所受主要载荷横向对开力引起的应力分布情况，选取应力集中问题严重的船中Fr48横舱壁和Fr44强框架部位作为疲劳试验节点，如图1所示.

图1 疲劳试验部位Fig.1 Fatigue test position

对上述节点结构截取模型，模型尺寸均为长×宽 × 高 =2.4m ×0.6m ×1.6m.试验加载方向模拟横向对开力作用方向，试验时的模型应力分布与整体计算时该部位的应力分布一致，模型制作材料选取、节点处焊接工艺、焊接形式采取和实船相同.加载后的模型有限元计算所显示的热点部位与全船分析一致，如图2所示.

图2 有限元模型应力分布Fig.2 Stress distribution of the FE model

2 试验情况概述

Fr44部位模型共做3个，分别选取3个载荷工况;Fr48部位模型共做6个，分别选取4个载荷工况.试验设备采用MTS试验系统和DHDAS_3817N动态信号采集分析系统.疲劳试验前，进行了焊趾附近的静应力分布测试，找出热点位置.电阻应变片粘贴在焊趾根部.试验采用应力比R=－1的正弦波.疲劳破坏标准选取穿透壁后的循环次数.试验安装图如图3所示.

图3 模型试验图Fig.3 The photograph of the model test

3 加载载荷计算

确定加载载荷时，在同时考虑本船航行区域中出现概率较大的海况以及在该海况下的损伤情况下，确定了典型海况，并求出每个海况下等效应力范围.由于此等效应力范围对应破坏时循环次数较大，综合考虑试验时间情况，在损伤等效的前提下最终确定了加载水平，具体如表1所示.

表1 加载载荷计算Table 1 Calculation of loading load

4 疲劳试验结果

通过试验发现，Fr48部位模型破坏部位在下甲板下部纵骨穿越横舱壁处，Fr44部位模型破坏部位在下甲板上部纵骨穿越强框架连接处.计算应力范围时选取与裂纹扩展方向垂直的45°范围内的主应力.试验数据如表2和3所示.

表2 Fr48部位模型试验结果Table 2 The testing results of the Fr48＇smodel

表3 Fr44部位模型试验结果Table 3 The testing results of the Fr44＇smodel

5 S-N曲线拟合

根据实践经验，对于中等寿命区内各级应力水平，对数疲劳寿命都遵循正态分布;在双对数坐标系下，中值S-N曲线和P-S-N曲线均为线性关系.此时，正态母体平均值μi和母体标准差σi均与lg Si成线性关系［10-11］.本文采用极大似然法得到试验模型的S-N曲线特性.

对于Fr48部位试件，以应力水平Sd下的q个对数疲劳寿命观测数据的平均值和标准差分别作为该应力水平下对数疲劳寿命母体分布的平均值和标准差的估计量［10］，任一应力水平Si下的对数疲劳寿命的母体平均值估计量和标准差估计量可表示为

式中:a1、a2是待定常数.

似然函数为

将式(1)、(2)代入式(3)，依据极大似然原理可解出a1和a2，进一步可得任一存活率的对数安全寿命为

在船舶与海洋工程的疲劳可靠性分析中，一般采用存活率 p=97.72%的 P-S-N曲线，此时up= －2.

对于Fr44部位试件，由于每个应力水平只做了一个试件，上述方法已不适用，此时可用极大似然法得到存活率p=50%的中值S-N曲线［12］.假设在任意应力范围下对数疲劳寿命的方差均为，参照规范S-N曲线采用定斜率m=3.似然函数为参数lg A的估计值为

依据如上理论，对Fr48部位试件数据进行处理，采用FORTRAN90程序解得系数a1=－4.155，a2=0.393.最终求得存活率p=97.72%时的S-N曲线为

对Fr44部位试件数据进行处理，求得中值S-N曲线:

分析上述曲线以及规范中曲线可知，试验所得曲线位于规范［7］中曲线C和曲线D之间，并且和C曲线较为接近.

6 实船疲劳寿命计算

依据CCS规范，应用热点应力法对焊接节点进行疲劳强度分析时采用E曲线［7］，利于谱分析方法对试件所处位置典型节点分别采用E曲线和试验所得曲线进行疲劳寿命计算，所选节点位置如图4所示.

图4 疲劳校核节点Fig.4 Structural nodes for the fatigue check

设计寿命期的疲劳累积损伤度D和寿命Tf按下式计算:

式中:Td为该船设计寿命，为20a;其余各参数意义参见文献［9］，疲劳寿命计算结果如表4所示.

表4 实船疲劳寿命计算Table 4 Resu lts of the SWATH ship＇s fatigue life

计算结果表明，采用试验所得S-N曲线计算时所得疲劳寿命较大，按现有规范选取连接桥结构部位S-N曲线是偏于保守的.

7 结束语

按实际尺寸对船舶结构节点进行疲劳强度试验，其工装设计、模拟实船受力的加载模式、加载载荷水平的确定都是试验成功与否的关键所在.本文成功进行了小水线面双体船连接桥结构疲劳强度试验，并得到了连接桥部位S-N曲线特性，验证了船舶结构节点实尺度模型疲劳试验的可行性.

对实船计算表明，依据现有规范的S-N曲线的对双体船进行疲劳强度评估，结果是偏于保守的.依据本次试验得到S-N曲线特性对于双体船等多体船连接桥结构的疲劳强度评估具有参考意义，并对其结构设计提供了一定的参考依据.

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