船体典型结构节点抗疲劳设计

李 涛， 罗秋明

(1.中船澄西船舶修造有限公司， 江苏 江阴214433； 2.中国船级社 规范与技术中心， 上海200135)

0 引 言

引起船舶结构破坏的形式很多，其中疲劳破坏是主要破坏形式。随着船舶大型化以及高强度钢材的广泛使用，疲劳问题也更加突出。自20世纪90年代以来，各大船级社已发布针对船体结构疲劳强度的评估指南[1-2]，其中中国船级社的“船体结构疲劳强度指南”[3](以下简称疲劳指南)也于2001年正式发布。尽管在各指南中详细的计算过程和计算公式不同，但目前各船级社主要采用简化方法[4]和直接计算法[5]评估疲劳强度。简化方法将疲劳载荷和应力进行简化，采用简化公式进行计算。直接计算法通过直接计算得出载荷和应力，再用基于谱分析的方法对疲劳累计损伤度进行计算。在对船体典型结构节点进行疲劳校核时，一般针对纵向结构(主要是纵骨)采用基于名义应力的简化方法，而对横向结构等其他一些复杂节点，如船中横框架处的内底与底边舱斜板折角处，需采用基于舱段的精细网格有限元方法计算热点应力。对于舱口角隅，由于舱段有限元模型无法准确计算翘曲应力，需采用基于全船有限元的方法进行疲劳评估。

采用简化方法对纵骨进行疲劳校核的工作量相对较小，而采用热点应力法对复杂节点进行疲劳校核对人力、时间和技术手段都有很高的要求。因此，业内从业者在积累了大量典型结构节点的设计经验后，纷纷提出节点设计标准，由此也形成了典型结构节点的另一种疲劳评估方法——疲劳评估的规范描述性方法。船体结构节点按疲劳评估方法可进行如图1所示的分类。

图1 船体结构节点

对于比较容易发生疲劳破坏的节点，可通过有限元法或简化应力法校核疲劳强度，而另一类节点产生裂纹的可能性可通过合理化设计降低，而这种合理的节点设计来源于疲劳设计原理、建造工艺和实船营运经验积累，即规范描述性的疲劳要求。在符合上述要求的情况下，认为可保证此类节点的疲劳强度。通过上述分析可得到如图2所示的典型结构节点疲劳评估流程。本文着重介绍船体结构关键部位选取、典型节点的抗疲劳优化设计[6]和节点设计标准等内容，旨在为业界开展结构节点设计、优化和疲劳强度评估提供参考。

图2 典型结构节点疲劳评估流程

1 疲劳关键位置识别

在船舶航行过程中，由于受到波浪载荷，船体结构内部的应力不断变化，相关结构节点会产生疲劳损伤。考虑到疲劳校核计算的巨大工作量，在实际工作中，只能选择可能产生最严重疲劳损伤的部分位置进行疲劳校核评估。为了不影响疲劳评估结果，需筛选出能全面反映结构中比较容易产生疲劳损伤的节点，这是疲劳结果评估中很关键的一步。

结构的疲劳损伤由波浪弯矩、外部海水动压力以及货物特别是液货运动产生的惯性力等的交变应力所引起，对于动载荷和构件应力较大以及应力集中比较严重的位置，疲劳问题往往比较严重，因此，通常选取如下船体结构疲劳位置：

(1) 船中区域纵骨、外板纵骨的疲劳问题更为突出。在船中区域，由于总纵弯曲应力较大，纵骨在横舱壁和肋板连接处都可能产生较大的合成应力，因此，船中区域纵骨需重点评估疲劳强度。图3是船体双层底纵骨与肋板连接的典型连接节点。

图3 双层底纵骨与肋板连接典型节点

(2) 船体横向构件的趾端处。船体横向构件需承受舷外海水的静压力、动压力和货物压力，因此，横向强框架的趾端、舱壁水平桁和垂直桁趾端等均会产生应力集中，需重点评估疲劳强度。图4是散货船舷侧肋骨典型趾端节点。

图4 散货船舷侧肋骨典型趾端节点

(3) 舱口角隅。由于舱口角隅处于结构突变处，往往存在较大应力集中，通常需对其进行疲劳评估。图5是船舶舱口角隅。

图5 船舶舱口角隅

2 节点抗疲劳优化设计

船体结构节点的抗疲劳设计决定了船舶的使用寿命。以40 000 t化学品船的两个典型节点为例，对同一部位的两个节点进行疲劳评估，然后对结果进行对比，以得出疲劳寿命更高的节点形式。以底墩斜板与内底板连接节点为例，说明尺寸和应力集中因素对疲劳强度的影响。

底墩斜板与内底板相交的折角处节点形式1及改进形式2分别如图6a)和图6b)所示。其中形式2是在形式1的基础上在折角处增加一个小肘板。分别建立形式1和形式2的细化有限元模型，如图6c)和图6d)所示。

图6 底墩斜板与内底板连接节点

对形式1和形式2的细化模型进行累计损伤度计算，得到折角形式1的累计损伤度D1=0.036，折角形式2的累计损伤度D2=0.021，很显然形式2节点计算的疲劳寿命更高。由此可见，对折角节点增加肘板，可有效减少应力集中，改善疲劳强度。

除基于改进结构尺度的优化设计外，还可通过改善焊接工艺、保证建造公差、增加焊后处理等系列措施来达到节点的优化设计。

3 节点设计标准

3.1 节点设计标准的应用

基于长期的结构疲劳强度校核经验和实船应用数据的累积，各主要船级社在其各自的规范或疲劳指南中均提出类似的典型结构节点的抗疲劳设计图册。针对油船和散货船，无论是先前的油船共同结构规范[7]，还是已经生效的最新协调共同结构规范[8](HarmonizedCommonStructuralRulesforBulkCarriersandOilTankers，HCSR)，都提供了节点设计标准及应用要求。以中国船级社疲劳指南为例，列举几个可免除疲劳强度校核的标准节点，供业内相关技术人员更好地理解和使用节点设计标准。

(1) 散货船槽型横舱壁与顶凳斜板的连接处，其节点设计标准如图7所示。

图7 散货船槽型横舱壁与顶凳斜板的连接处

(2) 散货船槽型横舱壁与底凳顶板的连接处，其节点设计标准如图8所示。

图8 散货船槽型横舱壁与底凳顶板的连接处

(3) 单壳散货船舷侧肋骨与底边舱和顶边舱的连接处，其节点设计标准如图9所示。

图9 单壳散货船舷侧肋骨与底边舱和顶边舱的连接处

此外，疲劳指南还提供了散货船、油船和集装箱船的船体结构节点设计，旨在为设计者对关键位置改进结构节点设计提供技术指导(非强制性要求)，以提高结构的疲劳寿命。

3.2 舱口角隅的规范描述性疲劳要求

对于通用船舶(含散货船等)和集装箱船(包括其他大开口船舶)的舱口角隅，《钢质海船入级规范》(以下简称“钢规”)[9]分别给出了角隅处甲板的补强方式，并分别对角隅半径、嵌入板板厚和布置细节等作出了详细规定。这些描述性要求与HCSR或其他船级社规范基本一致，属于舱口角隅的抗疲劳设计标准。

此外，HCSR还明确指出：对于船长在150 m以上的船舶，舱口角隅半径、嵌入板的厚度和范围可由屈服、屈曲和疲劳强度评估决定，即舱口角隅的规范描述性疲劳要求可由包括疲劳强度评估在内的直接计算方法代替。对此观点，笔者部分认同。一方面，抗疲劳设计的描述性要求来源于长期经验积累，可对舱口角隅的结构安全性进行有效控制，因此满足此描述性要求的舱口角隅应明确可免除包含屈服、屈曲和疲劳在内的直接计算校核，在这一点上笔者与HCSR的观点是一致的；另一方面，舱口角隅加强嵌入板作为整体的板格，能避免在舱口角隅高应力区出现对接焊缝，可有效提高结构的疲劳强度，这一点在直接计算中无法体现。另外，角隅半径尺寸较小，在直接计算中同样很难做到精确校核。基于上述分析，笔者认为只有嵌入板的厚度可通过直接计算来确定，其余应满足描述性要求。

“钢规”中有关舱口角隅的描述性要求进一步明确了嵌入板的延伸范围(如图10所示，其中：R为舱口角隅半径；e应不小于760 mm，且对于纵骨架式应不小于1个纵骨间距)，并增加“当嵌入板厚度不能满足上述要求时，应采用包括屈服、屈曲及疲劳在内的直接计算方法予以验证”的规范要求；该修改明确了舱口角隅节点设计标准在规范中的应用，减轻了设计时对于舱口角隅疲劳校核计算的工作量，同时有助于实现舱口角隅的多样化设计，满足不同船型的优化需求。

图10 舱口角隅加强嵌入板的延伸范围

4 结 论

通过对船体典型结构节点抗疲劳设计进行研究，得到以下结论：

(1) 疲劳计算方法包括简化方法和直接计算法，直接计算法对复杂节点的疲劳校核对人力、时间及技术等有较高的要求，而简化计算方法工作量相对较小。对于规范未强制要求采用直接计算法的节点，可根据疲劳评估的规范描述性方法进行设计。

(2) 疲劳关键节点应选择在动载荷和构件应力较大以及应力集中比较严重的位置进行校核，如中部区域纵骨、船体横向构件的趾端处和舱口角隅等。

(3) 利用抗疲劳设计优化方法并结合共同结构规范和实船经验对油船、散货船等船舶典型结构节点进行分析，得出若干典型节点的抗疲劳设计标准，在具体设计时可参照这些设计标准。

(4) 在规范中疲劳描述性要求对舱口角隅疲劳校核有明确的规定，可减小在设计时对舱口角隅疲劳计算的工作量，同时有助于实现舱口角隅的多样化设计，满足不同船型的优化需求。