基于HCSR 与CSR 规范的散货船舱口角隅疲劳计算方法

李旭

(中国船级社技术研究开发中心，北京100007）

基于HCSR 与CSR 规范的散货船舱口角隅疲劳计算方法

李旭

(中国船级社技术研究开发中心，北京100007）

对于疲劳载荷的概率水平,HCSR规范调整较大,由原来CSR规范的10-4调整为现在的10-2,有关研究［3-5］表明构成疲劳累积损伤的概率水平主要集中在10-5以下的概率水平,其中10-2对疲劳累积损伤贡献最大,见图1。基于上述原因,HCSR规范选取10-2作为疲劳载荷的概率水平。

图1 概率水平p与累积损伤的关系

1.2 应力范围长期分布

HCSR与CSR-BC规范对于应力范围的分布函数均应用weibull双参数分布模型,形状参数ξ均取1.0。Weibull形状参数是研究船舶疲劳强度的一项重要参数,大量的研究结果表明,疲劳损伤对形状参数十分敏感［6-8］,形状参数ξ一般是根据结构所处的海洋环境、结构类型及响应特性以及构件在整个结构中的位置等因素来确定,数值一般是在0.7～1.3之间。疲劳载荷的概率水平取为10-2时,Weibull形状参数ξ从0.8变化到1.2,对疲劳寿命的影响很小［3］,所以HCSR规范中配套选取ξ=1.0和10-2的概率水平的做法可以有效消除由形状参数ξ选取带来的误差影响。

1.3 应力范围计算方法

1.3.1 HCSR舱口角隅应力计算方法

对于HCSR规范,舱口角隅疲劳强度直接计算评估的应力范围采用热点应力,对于网格划分密度有着一定的要求(见图2)。应力的提取基于在有限元模型中角隅板网格边缘建立一系列厚度与板材厚度相同,宽度近乎忽略的虚拟梁单元,在评估结果中提取梁单元的轴向应力和弯曲应力的组合。取各载荷工况中的修正后应力范围最大值作为所考虑装载工况下的疲劳应力范围,所考虑的装载工况见表3。

1.3.2 CSR-BC舱口角隅应力计算方法

对于CSR-BC规范,计算舱口角隅评估的应力范围采用的等效切口应力,主要是基于简化应力方法利用理论公式计算波浪转矩引起的名义应力范围,计算模型基于船体结构二维横剖面,并根据舱口角隅的具体尺寸计算应力集中系数,将名义应力转换成热点应力,进而乘以疲劳切口因子转换成疲劳等效切口应力。此过程中不单独考虑均匀装载、隔舱装载、正常压载及重压载这些实际装载工况的影响。

图2 舱口角隅建模要求

表3 HCSR疲劳评估的装载工况

1.4 应力范围的修正

疲劳评估中影响评估结果有很多因素［9］,需要对应力进行修正,对于舱口角隅应力范围的修正,主要考虑如下。

1.4.1 平均应力的影响

对于母材,CSR-BC规范中平均应力修正因子恒取fmean,j=0.77。HCSR规范中的平均应力修正系数是基于CSR OT和CSR BC方法的进一步发展。HCSR规范中以修正因子的形式考虑了平均应力的影响,公式中考虑了残余应力、拉压状态、局部应力集中等影响因素,规范公式如下。

式中:σmax——所有装载工况和所有载荷工况下的平均应力与10-2概率水平下应力范围和的最大值;

σmcor,i(j)——修正后的平均应力;

σmean,i(j)——疲劳平均应力。

1.4.2 板厚修正的影响

HCSR和CSR均有板厚修正公式,对于净板厚22 mm以上的评估节点的应力范围进行板厚修正。不同之处在于CSR-BC的板厚修正指数恒取0.25［11］,而HCSR需要根据节点不同而选取。对于舱口角隅的板厚修正方法,CSR-BC规范中的方法为修正因子恒取fthick=1.0,即不进行板厚修正;而HCSR的舱口角隅板厚修正方法见表4。

表4 舱口角隅板厚修正方法对比

文献［4］表明,对于母材自由边(base materi al)的疲劳评估需要考虑板厚效应的影响,推荐的板厚修正指数为n=0.1。

1.4.3 材料系数修正

对于舱口角隅的疲劳评估,HCSR和CSRBC均考虑了不同材料屈服极限(ReH)带来的影响,修正公式相同,如下。

1.4.4 腐蚀环境的影响

对于腐蚀环境的考虑,HCSR和CSR均有特点方法考虑,CSR-BC考虑的方式是通过腐蚀环境修正因子fcoat来实现的,方法如下。

对于压载舱和燃油舱,fcoat=1.05;

对于干散货舱和空舱,fcoat=1.03。

HCSR所考虑腐蚀环境影响的方法是通过腐蚀环境中的S-N曲线来专门考虑的,对于规范中规定的假定在腐蚀环境时间段内的累积损伤需根据腐蚀环境S-N曲线进行计算,具体见2.5和2.6所述,从而体现腐蚀环境对疲劳寿命的影响。

1.5 S-N曲线的选取

CSR-BC规范因考虑的是疲劳等效切口应力,在CSR-BC中对于任何节点形式的疲劳评估均采用了B曲线;HCSR规范中选取的S-N曲线是基于Den和HSE的B,C,D 3根S-N曲线,对于焊接节点采用的D曲线评估,对于母材采用B或C曲线,采用B或C曲线需要根据不同建造工艺来选择,见表5、6。同时HCSR增加考虑腐蚀环境中的S-N曲线,用于计算节点在腐蚀环境时间内的疲劳累积损伤,腐蚀环境中的S-N曲线不考虑斜率的变化,见图3。

表5 腐蚀环境下的S-N曲线

表6 空气中S-N曲线

图3 S-N曲线

1.6 累积损伤计算方法

1.7 疲劳寿命计算方法

HCSR中的疲劳寿命计算分为2个区间。

式中:Dair——所有装载工况,空气中的累计损伤总和;

Dcorrosive——所有装载工况,腐蚀环境中的累计损伤总和。

2 实船计算分析

以某散货船为例,应用CCSDSA TOOLS工具对该散货船重压载的舱口角隅进行网格细化［10］。

首先以椭圆型角隅(尺寸1 200 mm×600 mm)为研究对象,完成CSR和HCSR的疲劳强度评估。基于该模型,结合表7完成不同尺寸(R= 600 mm,R=900 mm,R=1 200 mm)不同建造工艺下圆弧型舱口角隅基于HCSR的疲劳评估,船体主尺度见表8,有限元模型及评估部位见图4、5,对比计算结果见表9。

表7 工艺方法与母材S-N曲线的对应关系

表8 评估船主尺度参数

图4 舱口角隅有限元模型

图5 舱口角隅尺寸设计

表9 舱口角隅设计尺寸实船计算结果 年

3 结论

对于舱口角隅的疲劳评估,与CSR-BC规范中的简化应力方法相比,HCSR规范建立了一套基于有限元的疲劳评估方法,并对整个评估过程的各个技术环节均做了较大的调整,从载荷体系(概率水平10-2)、应力范围计算及修正方法、SN曲线选取到疲劳累计损伤及疲劳寿命计算,更加注重理论依据。

通过两种规范的实船计算对比可以看出, HCSR舱口角隅的疲劳要求要高于CSR,这对今后的结构设计会带来影响。

1)基于HCSR规范不同处理工艺(见表9)下的疲劳评估,可以看出建造工艺会给疲劳评估结果带来很大的影响,现场施工中注意切割方法的选取,尽量保证角隅板加工成形后应有良好的圆角和光滑的边缘,提高母材可使用的S-N曲线等级。

2)基于HCSR规范,在钢材用量相同的条件下,与椭圆形舱口角隅相比,圆弧型的舱口角隅的疲劳强度要高于椭圆形舱口角隅。参见表9中椭圆型舱口角隅(1 200 mm×600 mm)和R=900 mm的圆弧形舱口角隅的评估结果,建议在设计中考虑采用圆弧形舱口角隅的设计形式。

3)圆弧形舱口角隅的疲劳寿命与半径R有着密切的关系,增大半径可以提升疲劳寿命。但这需要同时兼顾考虑散货船营运中对装卸货的影响。

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On Fatigue Strength Assessment for Hatch Corner of Bulk Carrier Based on HCSR and CSR

LIXu
(Technology Research Development Centre,China Classification Society,Beijing 100007,China)

In order to study the effectof the harmonized rules in fatigue assessment,the fatigue strength requirements of the hatch corner for bulk carriers in HCSR and CSR are analyzed.The fatigue life for hatch corner of one bulk carrier is calculated according to the CSR and HCSR respectively.Comparingwith the results shows that the requirement of fatigue strength for hatch corner in HCSR is improved.Some recommendations for design of the hatch corner are proposed.

fatigue assessment;hatch corner;CSR;HCSR;comparison analysis