船舶疲劳强度评估等效设计波法研究

刘 亮，任慧龙，冯国庆

(哈尔滨工程大学 船舶与海洋工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

船舶疲劳强度评估等效设计波法研究

刘 亮，任慧龙，冯国庆

(哈尔滨工程大学 船舶与海洋工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

在现有船舶疲劳强度评估设计波法基础上，对设计波的选取和应力范围的计算部分进行改进。提出一种更能全面考虑船舶载荷状态的设计波选取方法，同时定义一种更为准确的应力范围选取方法。以1艘散货船为例，根据筛选的设计波，进行疲劳损伤的计算，比较本文提出的改进的设计波法和原有谱分析法得到的疲劳寿命值，验证本文提出方法的可行性和优越性。

设计波；控制载荷；疲劳损伤

0 引 言

船舶疲劳强度评估的谱分析方法由于思路明确，理论清晰，能够反映结构自身特点等原因，是一种比较成熟的计算方法。但谱分析方法由于工作量大、计算时间长等问题导致计算效率并不高，所以对疲劳设计波法进行研究，通过某一超越概率水平下的长期值以及各种载荷工况的选取反映海况的影响，通过有限元计算反映结构细节，以解决上述存在的问题，具有重要的工程意义。

对疲劳强度评估的设计波法研究很多。最初，研究者均以单一的垂向弯矩作为控制载荷，确定设计波参数。J.Xue，A.Pittaluga等[1]提出以垂向弯矩配合水平弯矩作为目标值选取载荷工况，同时考虑水动压力以及舱室加速度产生的惯性力等局部载荷。Espen H.Cramer等[2]指出应力范围的分布可由某一载荷状态下的应力范围间接得到，同时也指出除了考虑由垂向波浪弯矩产生的船体梁总纵弯曲应力，还应考虑内部以及外部载荷产生的局部应力。葛菲、戴仰山[3]提出载荷循环次数相同下的等效疲劳损伤的设计波法。在此原则下，刘冬平[4]对非线性波浪载荷作用下疲劳损伤计算的设计波法进行了研究。但其以谱分析计算的应力范围为目标值，虽然得出了令人满意的结果，但工作量较普分析法计算量增加很多，而且在已经进行谱分析的基础上没有必要再进行设计波的计算。而且在确定设计波参数时，只选取船垂向弯矩作为控制载荷。冯国庆[5]也在单一载荷作为控制载荷的基础上提出了垂向弯矩和水平弯矩联合作用下的疲劳设计波法，并基于1艘滚装船，对设计波法计算结果与简化方法进行比较，对于外底和外壳板等典型位置计算结果相吻合，对于其他位置有明显差别。并在其博士论文[6]中指出，由于设计者对控制载荷的主观选取不同，对设计波法产生的结果具有很大差别。孙昊[7]根据等效应力范围的原则，提出了多载荷控制参数下的疲劳损伤计算方法，通过多艘船计算，对不同设计波下计算的应力范围通过系数拟合叠加得到与谱分析相同的结果，得到较好的结果，但是存在样本船较少，船型单一等问题。

综上所述，虽然众多学者提出了许多计算方法，但是各个方法在设计波选取、应力范围的计算等方面存在很大不同，计算结果与谱分析结果以及简化方法有一定差别。

本文对疲劳强度评估设计波法设计波的选取、应力范围的计算等方面进行改进，提出一种新的疲劳设计波法。对各个控制参数进行长短期分析，通过动态载荷法确定设计波的参数，通过有限元计算应力等方式，筛选出具有相同作用效果的设计波。同时基于筛选后的设计波确定一种新的应力范围的计算方法，在原有设计波法的基础上，形成了一套新的基于设计波的疲劳强度评估方法。通过筛选的方式确定了所选取的设计波，消除了不同强度校核人员对设计波选取时主观上的不同，减轻工作量。

1 疲劳评估的设计波法

1.1 载荷工况的确定

随着民船规范的发展，新的散货船、油船协调共同规范已经颁布并对疲劳评估的方法作了详细的规定[8]。选取载荷长期值概率水平为10-2时的设计波，因为10-2对总损伤的贡献更大，此时形状参数从0.8～1.2时，疲劳损伤的变化最小[9]。

本文基于北大西洋海况，对选取10-2作为载荷长期值的概率水平，选取如表1所示设计波进行研究。对每个设计波选取中拱、中垂2种工况，对于横浪和斜浪时考虑左右舷来浪时的情况。

表1 选取的设计波

Tab.1 Design waves for selecting

设计波名称描 述HSM迎浪时船中垂向波浪弯矩达到最小或最大值时的等效设计波FSM随浪时船中部的垂向波浪弯矩达到最小或最大值时的等效设计波BSR横浪时船横摇运动达到最小或最大值时的等效设计波BSP横浪时船中水线处水动压力达到最小或最大时的等效设计波OST斜浪时船在0.25L处的扭矩达到最小或最大时的等效设计波HSA迎浪时首柱处加速度达到最小或最大值时的等效设计波OSA斜浪时船舶纵摇运动达到最小或最大时的等效设计波HSF迎浪时船中垂向弯矩达到最小或最大值时的等效设计波BSH横浪时水平弯矩达到最小或最大时的等效设计波

式中：A为该控制参数在计算航速、计算波长λ和计算航向角α下算得的幅频响应。

通过动态载荷法确定的设计波如表2所示。从表2可看出，设计波HSM，HSF，HAS确定的设计波参数以及BSR，BSP，BSH确定的设计波参数相差不大。通过有限元计算，对于设计波参数类似的工况，对不同热点位置与计算热点应力相关的单元的应力差别很小，如表3为BSP和BSR设计波作用下右舷来波中垂状态的应力结果。所以设计波选取FSM，HSM，OST，BSR作为设计载荷，考虑中拱、中垂以及斜浪和横浪时的左右舷来波状态。

表2 设计波参数

注：对于斜浪和横浪右舷来波时浪向为300°和270°。

表3 应力比较

1.2 疲劳损伤的计算

1.2.1 应力范围的长期分布

应力范围的长期分布服从双参数的Weibull分布，其形式如下式所示：

(1)

Weibull形状参数跟船型参数、海况环境等众多因素有关，精确结果可通过长期分析结果进行拟合得到，作为简化做法，民船可取为1.0[8-9]，对于军船可选用如下简化公式：

h=1.1127-0.2113(L-100)/200。

(2)

得到形状参数后，尺度参数可由10-2概率水平下的载荷长期值经过有限元直接计算得到的应力范围表示，由超越概率的定义得：

P(S>SL)= 1-P(S≤SL)=

(3)

由式(3)得到：

(4)

1.2.2 应力范围计算

应力范围SL采用下式进行计算：

SL=maxi(SLi)。

(5)

其中SLi为第i个设计波对应的应力范围。

每个设计波对应的应力范围为应于每个设计波中拱、中垂时的应力计算值差值的绝对值，如下计算：

1.2.3 疲劳损伤的计算

对于军船计算疲劳损伤时可以只考虑巡航状态时的计算结果，所以得到应力范围后应力长期分布就可以得到，可以得到疲劳损伤的计算公式：

(6)

式中：A和m为S-N曲线的2个参数；Nd为船舶寿命期内可能经历的载荷循环总次数；Γ为伽玛函数；N为装载模式数量，对于军船来说可只取巡航工况；pi为每个装载模式对应的出现概率。

2 应用研究

选取某一散货船，针对某一装载模式，分别进行谱分析法和文章提出的设计波法计算疲劳损伤。

2.1 设计波参数的确定

对控制载荷进行长短期分析，采用动态载荷法确定设计波参数(见表2)。

2.2 有限元模型载荷的施加以及应力的提取

波浪作用下的船舶受到2对平衡力，即重力和浮力，以及波浪压力和全船惯性力，对于局部舱室还存在静压力以及波浪作用下的动压力等局部载荷。

海水静压力以及舱室静压力ps(单位为Pa)采用下式进行计算：

ps=ρgh。

(7)

式中：ρ为液体密度，kg/m3；g为重力加速度，9.81m/s2；h为计算位置到液面的竖直距离，m。

通过编制接口程序实现波浪压力与有限元软件Patran的接口并进行加载。

舱室波浪动压力采用下式进行计算：

pld=ρ[ax(x0-x)+ay(y0-y)+az(z0-z)]。

(8)

式中：ρ为舱室货物密度，kg/m3；ax为载荷程序计算的x方向的加速度，m/s2；ay为载荷程序计算的y方向的加速度，m/s2；az为载荷程序计算的z方向的加速度，m/s2；x0，y0，z0为舱室参考点的x，y，z三个方向的坐标，m。

基于施加的载荷以及选择的工况，根据pcl语言编写载荷施加程序，实现所有工况下载荷的自动施加以及工况的自动生成。并编写相应的应力提取程序，实现应力的自动提取，生成用于疲劳损伤计算的应力文件。迎浪中拱时中间舱的应力状态如图1所示。

图1 迎浪中拱应力云图Fig.1 Stress plot in hog state when heading sea

2.3 疲劳损伤计算

基于上一部分疲劳损伤计算方法，编写Fortran计算程序，读取2.2小节中生成的应力文件，计算疲劳损伤值。针对某一装载模式下的损伤值以及与谱分析计算结果的比较如表4所示。热点位置分别为舷侧肋骨下趾端、底边舱上下折角、甲板上舱口围板肘板趾端。

表4 疲劳寿命计算结果

通过计算结果可知，本文提出的设计波法计算结果在舷侧肋骨趾端、底边舱上下折角位置计算结果接近，其中舷侧趾端位置以及底边舱上折角位置最为接近，但是舱口围板肘板趾端位置的计算结果由很大差别。除舱口围板肘板趾端以外，对于热点寿命结果，2种方法有相同的是否满足寿命要求的结论。

3 结 语

通过对疲劳评估方法的研究，针对疲劳评估设计波法存在的问题进行研究，得到如下结论：

1)通过对船舶疲劳损伤的计算方法研究，对设计波法进行改进，并通过计算以及与谱分析方法的比较，得到了比较合理的结果。

2)通过对设计波的选取以及应力范围计算方法的重新定义，消除了设计波选取时主观因素的影响，在保证结果合理性的前提下大大缩减了计算时间。

3)通过波浪载荷计算软件Walcs、有限元软件Patran、pcl语言、批处理文件以及Fortran语言实现了载荷的自动施加以及损伤的快速计算，并消除了载荷施加工程中人为因素产生的问题。

[1] XUE J,PITTALUGA A,CERVETTO D.Fatigue damage calculation for oil tanker and containership structures[J].Marine Structures,1999.

[2] CRAMER E H，LOSETH R.Kjell olaisen[J].Marine Structures,2002.

[3] 葛菲，戴仰山.在非线性波浪载荷作用下计及多种应力成分组合时船体结构总纵强度累计损伤计算[J].船舶力学，2005,9(1):71-78.

GE Fei,DAI Yang-shan.Accumulated damage calculation for ship hull of overall longitudinal bending including combined stress and nonlinear wave loads[J].Journal of Ship Mechanics,2005,9(1):71-78.

[4] 刘东平.船体结构疲劳强度评估非线性设计波法[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

LIU Dong-ping.Nonlinear design wave approach for the fatigue assessment of hull structure[D].Harbin:Harbin Engineering University,2012.

[5] 李依阳.船舶结构疲劳强度评估的设计波法[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

LI Yi-yang.Design load approach for the fatigue assessment of ship structures[D].Harbin：Harbin Engineering University,2010.

[6] 冯国庆.船舶结构疲劳强度评估方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2006.

FENG Guo qing.Research on fatigue strength assessment method of ship structures[D].Harbin：Harbin Engineering University,2006.

[7] 孙昊.散货船结构疲劳评估的设计波法[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

SUN Hao.Design wave approach for the fatigue assessment of Bulk Carrier structures[D].Harbin：Harbin Engineering University,2011.

[8] Common structural rules for bulk carriers and oil tankers[S].IACS.2012.

[9] Technology background[M]. IACS.2012.

Research on the equivalent design wave approach for fatigue assessment of ocean structures

LIU Liang,REN Hui-long,FENG Guo-qing

(Institute of Naval Architecture and Ocean Engineering Mechanics, Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

A new approach for selection of equivalent design wave(EDW) and calculation of stress range is brought forward based on the existed design load approach for fatigue assessment. A new method of confirming EDWs is put forward, which could cover all the load cases ship structures suffer and a new and precise method of calculating stress range follows. The fatigue damage of a BC is got based on the selected EDWs. The feasibility and advantage of the method is confirmed by the comparision of the fatigue life to the spectrum analysis.

EDW;dominant load;fatigue damage

2013-07-15；

2013-08-30

刘亮(1989-)，男，硕士研究生，主要从事船舶与海洋结构物环境载荷与结构强度的研究。

U661.4

A

1672-7649(2014)07-0033-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.07.007