船舶结构疲劳的诱发因素与强度评估方法

2022-11-26朱道峰

船舶物资与市场 2022年4期

朱道峰

（中国船级社天津分社，天津 300457）

0 引言

船舶结构设计中必须将结构疲劳纳入考虑范围，只有这样才能真正确保船舶在各种特殊环境条件下健康运行。要提高船舶结构牢固度，减少结构疲劳带来的其他方面问题，船舶在水体内可能承受更大的荷载，遭受更大的破坏，因此，有必要深入分析船舶结构疲劳的诱发因素，并分析强度评估方法，从而控制船舶结构疲劳度[1]。

1 船舶结构疲劳的诱发因素

船舶结构疲劳的诱发因素是多种多样的，其中既包括客观外力因素，也包括人为失误等所导致的问题。

1.1 船舶设计与加工不合理

船舶结构特征决定着船舶使用功能的发挥，特别是不合理的结构设计将影响其使用周期，船舶结构疲劳的一大诱发因素就是设计环节忽视了船舶结构的承重能力以及使用周期，从而影响船舶的使用寿命，而且船舶生产、加工操作中，都对结构、功能、性能等提出了具体的要求，随着水路运输量的增大，社会需求的繁琐复杂，使得很多船舶企业在生产、制造船舶过程中，没能认识到船舶结构、构造等对承重能力、运输效率以及结构疲劳的影响，或者施工过程偏离了设计图纸中的要求，从而导致船舶运输能力下降，其中最关键的环节就是焊接位置不牢固，达不到预期的规定和要求，从而使得船舶运输中出现多种结构性的安全问题，导致船舶结构疲劳。众多的研究表明，船舶外力变化次数和船舶的长度关联密切，二者之间的关系如下所示。

长度为50 m的船舶，外力变化次数为0.928；长度为100 m的船舶，外力变化次数为0.788；长度为150 m的船舶，外力变化次数为0.725；船舶长度为200 m，外力变化次数为0.685；船舶长度为250 m，外力变化次数为0.658；船舶长度为300 m，外力变化次数为0.636。

从以上数据看出，船舶外力变化随着船舶长度的变长而减小。

1.2 多变复杂的外力

船舶所能承受的外力时刻在发生变化。船舶有自身的载货量要求，载客量也有着限值要求。船舶处于供不应求的状态下，一些船舶运输企业为了增加运输经济效益，则不合理地增加载货量，导致船舶运输严重超载，一旦载荷超出了允许的范围，则将增加船舶的结构疲劳度，使得船舶结构受损，甚至面临其他方面的问题。同时，船舶所处运输环境各不相同，特别是水域条件与水体特点都将直接影响到船舶结构牢固度，一些海上盐水密度较大的水体环境，势必会增加船舶主体结构的腐蚀度，从而加剧结构疲劳。

1.3 船舶的养护维修不到位

任何交通工具都需要定期地进行维护、检修与养护，只有这样才能真正地保护交通工具的结构安全，从而延长其使用周期。然而，现实的船舶养护与维修未能达到理想的规定标准，一些交通运输船舶未能依照规定的周期和要求开展维护工作，使得船舶运输中面临多种更加复杂的问题，甚至影响船舶的使用寿命。

1.4 船舶操作与运行规范度

交通运输工具都有预测性的使用周期，如果交通工具能严格地依照设计的规定和操作规范来运行则能减少其结构受损度，增加船舶结构牢固度，相反，如果未能依照科学的规范与规定来运行则将影响船舶的使用周期，具体体现在其结构变形、局部受损等，船舶操作与运行过程中可能涉及到多种预定的规范、规程，这需要船舶操作人员具备合格的素质和专业水平，能够切实地遵守操作规范来操作船舶，这样才能真正地提高船舶运行效率，确保船舶的运行速度。

1.5 微裂纹未及时整治

船舶结构疲劳一般是因为船舶运行中出现了微裂纹，微裂纹源自船舶运行中船体自身的若干构件承担的超出预期标准的荷载所导致的交变应力，船舶运行中并非各个构件都完好无损，个别构件存在缺陷或问题，出现气泡、夹层等现象，当船舶的交变应力较大，超出了船体自身承担的限度，则将引发微裂纹，然而，因为微裂纹尖端位置应力相对集中，而且会跟随应力反复循环，导致微裂纹面积扩大，当微裂纹达到足够大的范围，船舶构件将出现脆弱性断裂，从而增加了船舶运行的风险[2]。

2 船舶结构疲劳强度评估方法

2.1 S-N曲线法

S-N曲线法是船舶结构疲劳强度的一大权威评估方法，不同于其他评估方法和理论，此方法一般适合用于疲劳强度评估的初始时期，因为“宏观裂纹”理念被深入、全面地用在疲劳强度评估中，从而导致S-N曲线评估方法能被全面、妥善地运用于船舶全周期疲劳评估中，这一方法的运用必须达到规定的要求和标准，也就是结构工艺与材料等所引发的裂纹并非会因为遭受外部因素的干扰而变化消失，以及伴随着时间的延续、变化而逐渐地靠近临界值。此方法在实际应用过程中，具体又包括以下方法：热点应力法、名义应力法和切口应力法等。经过全方位地分析数据，能对应绘制出对应的疲劳强度S-N曲线，从而实现对船舶结构疲劳强度的全过程计算与评估，不同的评估方法对应的优势和缺点也有所差异，具体体现为：

热点应力法。优点：S-N曲线数量少；缺点：KC需要较为复杂的计算，焊接点热点应力非线性特征。

名义应力法。优点：计算简单、易操作，计算量小；缺点：精度变化较大，其中需要较多的S-N曲线数量。

切口应力法。优点：S-N曲线数量少；缺点：应力需要较多的计算，焊接点应力有较大的离散度。

2.2 装载状态评估法

按照船舶结构疲劳强度来评估，通常选择最为简单、方便操作的方法，也就是将船舶的装载状态划分为满载、压载，从而对船舶的结构疲劳强度来测评，以这两大状态为参考依据来计算工况，实际的压载状态下的工况计算过程中，通常要考虑到一种工况或多种工况，例如：ABS一般是要计算出10种装载工况数，DNV、CCS、CRS等则需集中思考并计算满载与压载工况数，计算得的每一个工况数，都可以参照以往经验、已有公式等来对应算得各个工况数之下的某一个超越概率水平的波浪诱导荷载值与运动响应值，此时需要算得因为船体自身运动使得船舶装载货物对于船舶本身的动荷载的干扰度和影响度，现实计算操作中，应算出船舶本体的梁荷载所导致的船舶梁应力，同时，也要对应算得因为外部水动压力、船体运动等导致的船体内部装载货物因惯性力等局部荷载所导致的局部压力。同时，也要将船舶自身的梁应力与局部应力妥善结合，对应算得可供参考的应力值，得到此参考应力值后，也需要参照参考应力、以及其所对应的概率水平，通过科学的计算就能对应力某一时段的分布范围得出数值的表现，并参照S-N曲线、Miner线性累积损伤理论等获得船舶结构疲劳累积损伤度，从而对船舶的结构疲劳强度做出最合理的评估[3]。

2.3 船体梁应力评估法

船舶以及其他水上交通工具在实际运行中，都需要分析船体的梁应力，其中要重点考虑到船体梁垂向弯矩、水平弯矩等引发的船体梁应力，实际的波浪诱导垂向弯矩计算过程中，通常采用IACS计算公式，然而，实际计算过程中依然会出现较大的差距值，因为所采用的计算方法有所差异，当计算船体梁应力以后，其组合模式也存在一定的差异性[4]。

2.4 设计波评估法

为了减少评估中的计算与运算，可以选择设计波法，这一方法和谱分析法有较大的差异，这是因为设计波方法一般是凭借控制工况来让船舶结构分析更加简单化、易操作化。

1）科学选择设计波。船舶结构疲劳强度实际的评估过程中如果选择设计波法，首当其冲是要正确地选择设计波，通过科学地选择设计波才能更加准确、高效地分析、判断导致船舶疲劳受损的成因与设计响应，实际的设计响应判断操作中一般包括荷载响应和运动响应，而且实际计算与分析这2种响应过程中，设计响应中设计波的浪向、频率等都可以充当设计响应传递函数的最大值所对应的浪向与频率。

2）应力范围的长期分布。实际分析、评估船舶疲劳强度过程中，可以采用设计波的方法来计算、评估，也必须对应力范围的长期分布来加以处理，对应力范围的长期分布一般要借助Weibull来加以分析、处理，而且对梁应力也要借助有限元模型来加以计算，同时，也要把水线附近的压力非线性影响因素融入计算内容中，从而确保应力范围分布的科学计算。

2.5 直接计算法

船舶结构疲劳强度评估还可以选择直接计算法，相较于简化计算法，直接计算法重点是对波浪载荷直接加以计算，进而算得疲劳载荷，并对应选择结构有限元分析法，以及相关的科学计算法来对应算得疲劳应力响应以及应力范围，在疲劳强度直接计算方面，必须首先明确波浪载荷。一般来说，常规模式下，船舶结构如果发生疲劳，多数是由于低海况波浪所导致的，船舶的类型不同，对于波浪荷载的影响度也不同，如果是滚装船，散货船，它们都有直舷特点，对于外形相对丰满的船舶，很难因为外张抨击导致非线性荷载的变小，非线性波浪荷载本身也承载多种问题亟待解决，所以，线性波浪荷载条件下，船舶结构疲劳度的强度估算是切实科学可行的，实际的评估操作中，可以选择多种直接计算法，一般可以选择谱分析法和设计波分析法。直接计算法运用于船舶结构疲劳强度评估中，有着多方面的优势，其中需要重点计算疲劳载荷，谱分析法来评估船舶强度时，必须精准地算出不同荷载之间的相位关系，而且也要对非线性波浪载荷对疲劳损伤所引发的因素给予高度关注。第一步，必须站在整体角度分析、计算船舶结构疲劳的载荷；第二步，展开性地剖析船舶的劳应力，可以采取短期预报、长期预报等方式来加以计算，长期预报主要是围绕船舶整个生命周期内不同状况进行的分析，也要对应参照海量散步图来对应辅助地加以描述，短期预报则要重点考虑到短峰波、长峰波与海浪谱等关键点。其中如果围绕船舶疲劳应力实施短期预报，具体的分析则适合选择ISSC双参数P-M谱，相反，对长峰波、短峰波等的计算则适合选择cos2函数。长期预报一般是围绕船体在运行时间内所遭遇的多种情况、各种状态展开的分析与研究，而且也要对海浪的散步图加以分析和描绘。个别情况下，普遍认为某些操纵参数和海浪无直接关系，然而，现实生活中却未如此，这是由于个别气候条件较差、环境恶劣的状况下，特别是强风、雷暴等发生时，船舶的运行自然将遭受极大的影响和挑战，甚至可能导致船舶失速现象，而且这些问题的出现也将导致压载分布的变化，压载将跟随海水的变化而动态浮动，对此就要参照特殊的操纵参数来正确构建模型[5]。

2.6 船舶荷载计算法

船舶结构疲劳强度评估的前提是要对船舶荷载进行科学地计算，在众多的计算方法中，一般选择线2D切片法与线3D法，前者更能高效地呈现与预测出波浪的荷载，同后一种计算方法对比起来更加地省时省力，然而，若选择谱分析法来对结构疲劳加以评估时，则要围绕波长、浪向组合的载荷实施大规模地计算与预报，其中需要投入特定的时间和精力，对此可以选择2D切片法，然而，如果对船舶结构疲劳强度加以评估，则适合选择3D法，这是因为此方法对于测算个别的存在航速、荷载分布导致船体水动力问题的船体有着较好的效果，总体来看，3D方法更加实用，然而，若选择谱分析法来评估船舶结构疲劳强度，则要计算荷载之间的相位关系，其中也要分析出非线性波浪荷载对疲劳损伤的干扰与影响，因此，目前一般选择线性波浪荷载方法来评估船舶结构疲劳强度[6]。