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大连理工大学硕士学位论文 摘要 f d p s o ( f l o a t i n gd r i l l i n g p r o d u c t i o n s t o r a g e a n do f f l o a d i n g ) 是f p s o ( f l o a t i n g p r o d u c t i o ns t o r a g ea n do f f l o a d i n g ) 技术的一大发展，通过在f p s o 船壳的月亮池添加钻探 设备，增加钻探功能，可以在钻探的同时进行生产。f d p s o 具有较强的抵御恶劣作业 环境的能力，更加适合深海作业，因此，可以预见f d p s o 未来具有广阔的商业前景。 疲劳破坏是船舶与海洋工程结构失效的主要模式之一，一直是船舶与海洋工程领域 研究的热点。f d p s o 在其整个服役寿命期间多为永久性系泊，一般没有进坞维修的可 能，疲劳载荷作用贯穿整个服役期。另外，其工作海况一般比较恶劣，其船体结构承受 不间断的交替变化的海浪作用和装载卸载，再加上高强度钢的广泛使用，使其疲劳破坏 问题更为突出，因此其疲劳设计更为严格。普通航行船舶的疲劳寿命一般在2 0 - 2 5 年， 而f d p s o 的疲劳寿命往往提高到4 0 5 0 年。 本文按照d n v 规范关于船体疲劳强度计算的有关规定，对一大型f d p s o 的典型结 构疲劳强度进行了分析，并根据其自身的特点，利用a n s y s 有限元分析软件，对月亮 池结构进行了模型化处理，并对d n v 没有给出明确规定的模型在查阅相关资料的基础 之上作出相应的假定，并对其疲劳强度进行了研究，得出了有意义的结论，为f d p s o 的设计建造提供参考。 关键词：p f d s 0 ：月亮池：疲劳寿命；有限单元法 f d p s o 典型结构疲劳寿命分析 f a t i g u el i f ea n a l y s i so f f d p s o st y p i c a ls t r u c t u r e s a b s t r a c t f d p s oi sa na d v a n c e dv e r s i o no ff p s o ，a d d i n gd r i u i n ge q u i p m e n t st ot h em o o n p o o lo f t h ef p s oh u l la n dt h e r e f o r ei te r t h a n o e dt h ed r i l l i n ga b i l i t y i to a ng o0 1 1p r o d u c t i o ni nt h e w a k eo fd r i l l i n g f d p s oh a sas t r o n ga b i l i t yt ow o r ku n d e ra t r o c i o u ss u r r o u n d i n g sa n di s m o r ea p p r o p r i a t et ow o r ki l ld e e pw a t e r t h u sa si t0 8 1 1b ep r e d i c t e d , f d p s oh a v eab r i g h t c o m m e r c i a lp r o s p e c t f a t i g u ed a m a g ei s o n co ft h em a j o rc a u s e sw h i o hl e a dt ot h es t r u c t u r ef a i l u r e 蛔t h e s h i p p i n ga n do c e a np r o j e c t , a n dh a sl o n gb e e nah i ts p o to fr e s e a r c h f d p s o ，i i ih i sf u l ll i f e c y c l e ，i sm o r eo f t e nae t e r n a lm o o r i n ga n di m p o r s s i b l et od o c kf o rm a i n t e n a n c e f a t i g u ee x i s t s t h r o u g ha l lt h ew o r k i n gl i f o m o r e o v e r , t h et e r r i b l ew o r k i n ge n v i r o n m e n t , i na d d i t i o nt ot h e c o n t i n u o u sw i t h s t a n d i n go ft h ev a r y i n gt i d i n ge f f e c ta n dc o n s t a n tl o a d i n ga n du n l o a d i n ga s w e l l 鼬t h ee x t e n s i v eu s a g eo fl i i g h c rt e n s i l es t e e li nt h eh u l ls t r u c t u r e sm a k et h ep r o b l e m m o 佗s e r i o u s a sar e s u l t , f a t i g u ed e s i g ns h o u l db em a d em o r es t r i c t l y t h ea v e r a g ef a t i g u e l i f es p a ni s2 0 - 2 5y e a r sb u tt h a to ff d p s oc o u l db ee x p a n d e dt o4 0 4 5y e a r s t h ep a p e ra n a l y z e st h ef a t i g u es t r e n g t ho fab i gf d p s oa c c o r d i n gt ot h er e g u l a t i o n s a b o u ts h i ph u l lf a t i g u es t r e n g t hc a l c u l a t i o ni nd n vc o d e ha l s ou s e st h ef m i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f r c c a r ea n s y sm o d e l i n gt h em o o np o o ls t r u c t u r ea n dg i v e sa s s u m p t i o n sb a s e do n o o u s u l t i n gr e f e r e n c e sw h i c hn o tg i v e nb yd n v t h e ni tv a l i d a t e st h ea s s u m p t i o n sr a t i o n a l i t y a tt h ee n d , t h et h e s i sg e t sm e a n i n g f u lc o n c l u s i o n st h r o u g hr e s e 盯c h i n gt h ef a t i g u es t r e n g t h a n d p r o v i d e sr e f e r e n c ef o rc o n s t r u c t i o no ff d p s 0 k e yw o r d s ：f d p s o ：m o o n p o o l ：f a t i g u el i f e ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 墅茎丕： 日期：翌堕：! ! 兰 f d p s o 典型结构疲劳寿命分析 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士，博士学位 论文版权使用规定骨，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：墅奎至 翩繇么 大连理工大学硕士学能论文 1绪论 1 1f d p s o 介绍 随着全球对原油和天然气能源的需求日益增长，石油开采己开始从陆上转移到海 洋，由浅海转移到深海海域。当前用于海洋油气钻采的海洋工程装备主要包括两大类： 海上浮动钻井平台和海上浮式生产设施。浮式生产设施主要包括：半潜式生产平台 ( s e 眦) 、张力腿生产平台( t i j ) 、单圆柱生产平台( s p a r ) 和浮式生产储油船( f p s o ) 。 f p s o t l 6 1 ( f l o a t i n gp r o d u o r i o ns t o r a g ea n do t t l o a d i n g ，中文名为浮式生成储油船) 的概念是在1 9 4 7 年提出，1 9 7 6 年8 月，西班牙壳牌( s h e l l ) 石油公司首次正式引入f p s o 概念，将一艘商业油船改装成一座5 9 0 0 0 t 的f p s o 并应用于西班牙卡特利翁( c a s t , l l o n ) 油田开发中。不同于一般意义的油船，f p s o 集生产处理、储存外输及生活、动力供应 于一体，同时它还具有高投资、高风险、高附加值和高回报的海洋工程特点。f p s o 俨 然一座“海上油气加工厂”，通过海底输油管接受从海底油井中采出的油气水等混合液， 然后把这些油气水等混合液经过加工处理成合格的原油或天然气，成品原油储存在货油 舱，到一定储量时经过外输系统输送到穿梭油轮。f p s o 通常没有动系统，采用单点系 泊模式在海面上固定，可随风、浪、流的作用进行3 6 0 度全方位自由旋转，适用于深水 油田开发，作业水深可达2 0 0 0 米以上。f p s o 具有抗风浪能力强、适合水深范围广、储 卸油能力大及可以转移、重复使用等优点，广泛适用于远离海岸的深海、浅海海域及边 际油田的开发。 ( a ) f p s o f d p s o 典型结构疲劳寿命分析 ( a ) f d p s o 图1 1f p s o 与f d p s o 的比较 f i g1 1 t h eo o m p a r i s i o no f f p s oa n df d p s o f d p s o t 7 】是f p s o 技术的一大发展，通过在f p s o 船壳的月池上添加钻探设备，增 加钻探功能，可以在钻探的同时进行生产，如图1 2 所示。巴西国家石油公司p c t r o b r a s 在其p r o c a p 3 0 0 0 研发项目中最先开始研究该技术。随后，s b m 又提出了配备t l d 系 统的f d p s o 单元的设计方案。f d p s o 的最大特点是可以不用复杂的转塔系统而能同时 进行钻井和采油作业，这是通过采用不同柔量的张力腿伸展设施与侧推器及双艏结构型 式相配合而实现的，如此还可使船( 装置) 的两端均对着风向，从而减少了风向标的需 用量。与f p s o 相比，f d p s o 的突出优点在于：( 1 ) 由于可减少结构的复杂性( 不用 转塔系统) ，制造成本只会降低：( 2 ) 由于在现在油田的采油过程中也能实施钻井和 修井作业，从而可以改善油井的状况，发现新的油层，延长油田的寿命，提高石油的开 采利用率，这比另外勘探新油田更为合算。从目前市场需求看，随着能源需求的不断增 加，人们对深海石油的开采将不断加强，由于f d p s o 具有较强的抵御恶劣作业环境的 能力，更加适合深海作业，因此，可以预见f d p s o 未来具有广阔的商业前景。 某公司建造“m p f 一1 0 0 0 钻井生产储油船( f d p s o ) ”，该船是一艘具有4 0 年使 用寿命，适用于无限航区，具备油矿钻探、原油生产及储备、船舶动态定位等多种功能 的海洋工程装备。这是世界上第一艘f d p s o ，是世界上目前建造的最大也是功能最为 齐全的钻井船，其模型如图1 2 。 2 大连理工太学硕士学位论文 圈1 2f d p s o 模型圈 1 2t h e n d do f f d p s o 12 疲劳寿命分析的研究现状 船舶在海上航行时。船体结构一直受到波浪力及船舶运动产生的惯性力的作用，而 波浪力和惯性力都是不断交化的动载荷，它们在船体结构内部引起交变应力，造成结构 的疲劳损伤。疲劳破坏是船舶与海洋工程结构的主要破坏形式之一。 1 9 7 2 年瑞典公布了他们对由瑞典建造的8 5 条太船船体破损情况的一份调研报告， 在这8 5 条船中不包括由于碰撞或触礁引起的破损。他们将破损分成三类：裂纹，变形 和腐蚀。在所有3 1 6 l 处破损中，2 2 2 7 处是属于裂纹，占破损总数的7 04 5 。在2 2 2 7 处裂纹中，1 13 5 处裂纹出现在肘板连接处，占总裂纹数的5 09 7 ，1 9 0 7 处裂纹在货舱 区，占总数的8 5 而且绝大部分在船体下部。油船损伤数日远远高于其他三种船型4 】。 国外对于船舶结构疲劳破坏问题的真正重视开始于上世纪七十年代末当时，j 叮d a n 和c o o k r a n 花了数年的时间对正在服役的7 种船型的8 6 条船舶的节点部位进行了仔细 的调奇，发现了不少疲劳裂纹证实了疲劳破坏在船舶破接中的重要性。1 9 9 0 年美国海 岸警卫队( u s c g ) 公布了他们从1 9 8 4 年到1 9 8 8 年所收集的除了碰撞和触礁以外的停靠 在v a l d c z 和a l a s k a 码头的6 9 艘发生破损的油船数据，8 0 * * 以上的结构严重破坏是由于 疲劳和断裂破坏而引起的。特别是对于大型船舶和使用高强度钢的船舶来说，疲劳问题 显得尤为突出”j 。 英国劳氏船级社报告了从1 9 8 0 年到1 9 9 4 年期问，全世界有7 0 条超过2 万吨的散 货船固结构破坏而失踪，其中特别引人注目的是9 0 年有i 2 条，9 1 年有1 3 条。这些事 情导致各个船级社重新仔细审查他们的设计规范，特别是意识到必须把疲劳强度校核加 f d p s o 典型结构疲劳寿命分析 入其设计规范中，即在船舶的设计阶段就应该认真考虑船舶结构的疲劳强度是否满足要 求。自2 0 世纪9 0 年代以来，世界各国的主要船级社，例如，挪威船级社删) p 1 1 】、 美国船级社( a b s ) p 2 、德国劳氏船级社( g l ) 、英国劳氏船级社皿r ) 等，陆续在其各自的 船舶设计规范中建立了船体结构疲劳强度评估方法。中国船级社( c c s ) 也于2 0 0 1 年正式 颁布了“船体结构疲劳强度指南”1 1 3 1 。 尽管具体的计算过程和公式不同，但是目前各国船级社的疲劳强度评估方法主要可 分为简化算法或直接计算法。在简化算法中，疲劳载荷和应力计算是用简化公式：或者 载荷用简化公式计算，应力是用有限元直接计算：在直接算法中，载荷是用程序直接计 算，应力也是用有限元直接计算，然后用基于谱分析的方法进行疲劳累积损伤计算。其 中，直接计算法的物理含义最为清晰，过程合理，但计算工作量大，技术要求也高。不 过，应该看到，要想得到合理统一的疲劳评估方法，直接计算的方法还是最有发展前景 的。一个重要的原因在于，这种方法避免了得到“简化疲劳载荷”与“简化应力公式及 其组合”过程中出现的各种问题。 在国内，随着船市的不断火热，近年来对于船舶和海洋工程的疲劳强度和断裂问题 研究的比较多【1 舢1 7 1 。文献【1 8 】【1 9 i 给出了f p s o 纵骨疲劳寿命相对较低的部位区域，提出通 过加大纵骨尺寸，添加肘板，或加大肘板尺寸来改善纵骨的疲劳寿命，文献【2 0 】针对f p s o 一个典型的舷侧纵骨与肋骨框架连接节采用热点应力法进行了疲劳寿命计算，提出适当 注意腹板开口的几何尺寸及补板位置可有效降低应力集中和减轻疲劳损伤。文献1 2 l j 对 f p s o 船体纵骨结构中几种常见的节点连接形式进行了疲劳寿命计算，通过分析比较， 发现纵骨端部节点的连接形式对疲劳寿命的影响较大，有软趾肘板较无软趾肘板产生的 应力集中系数小，因此可以通过改变肘板趾端的形式或采用弧形肘板来提高疲劳寿命。 与油船所处环境不同的是f d p s o 在其整个服役期间多为永久性系泊，一般没有进 坞修理的可能，并且除了受到不间断的交替变化的海浪作用外，还可能遭受台风的袭击。 普? 霭航行船舶有进出港情况，疲劳载荷作用期一般取服役期的8 5 ，而f d p s o 长期工 作于定位海域，疲劳载荷作用贯穿于整个服役期。因此f d p s o 对结构疲劳的控制更为 严格，普通航行船舶的疲劳寿命一般在2 0 2 5 年，而f d p s o 的疲劳寿命往往提高到 4 0 5 0 年。所以对它的疲劳强度评估与疲劳寿命预测显得尤为重要。 1 3 本文内容结构 1 ) 阐述疲劳分析的基本原理； 2 ) 论述d n v 的疲劳评估简化计算方法； 3 ) 讨论船舶疲劳应力有限元分析的过程； 4 火连理工大学硕士学位论文 4 ) 研究f d p s o 有限元计算模型的建立方法； 5 ) 以目标f d p s o 为例，利用a n s y s 建立其疲劳分析的有限单元模型； 6 ) 按d n v 的疲劳简化算法对f d p s o 进行疲劳评估，并对有限元计算模型进行热 点应力法进行分析。 f i ) p s o 典型结构疲劳寿命分析 2 疲劳寿命分析的理论基础 2 1疲劳定义 人们认识和研究疲劳问题，已经有1 5 0 多年的历史。在不懈地探究材料与结构疲劳 奥秘的实践中，对疲劳的认识不断地得到修正和深化。 美国试验与材料协会( a s t m ) 在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义” ( a s t me 2 0 6 - 7 2 ) 中所作的定义：在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动 作用之后形成裂纹或者完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程， 称为疲劳乜刀。 上述定义清楚地指出疲劳问题具有下述特点： ( 1 ) 只有在承受扰动应力作用的条件下，疲劳才会发生： ( 2 ) 疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部； ( 3 ) 疲劳破坏是在足够多次的扰动载荷作用之后，形成裂纹或完全断裂； 由此可见，疲劳是一个发展过程。 2 2 疲劳分析方法 目前疲劳评估主要有两种方法：一是基于s - n 曲线和p a l m g r c n m i i i c r 线性累积损伤 准则的疲劳累积损伤方法，以下简称为s - n 曲线法；二是基于p a r i s 裂纹扩展法则的断 裂力学方法，以下简称断裂力学法。但是由于断裂力学中对于初始裂纹的要求使其应用 不方便，还不可能大范围地应用于船体结构的疲劳强度评估中，目前船舶与海洋工程领 域用的比较多的还是s n 曲线法。而且在各船级社的疲劳强度评估方法中，也大都以此 方法为基础。 随着结构可靠性理论的发展，通过采用随机理论来描述疲劳强度中的各种不确定因 素，进一步发展了概率方法，进而形成了基于概率s - n 曲线p a l m g r = n m i i l c r 准则的概率 s - n 曲线法和基于断裂力学方法的概率断裂力学方法。下面将分别介绍这三种方法。 2 2 1 s - n 曲线和疲劳累积损伤理论 ( 1 ) s n 曲线【：l l 】 如果结构在某一应力范围水平为s 的单一循环载荷作用下达到疲劳破坏所需的循环 次数为，则称该结构在应力范围水平为s 时的疲劳寿命为二者之间的关系一般通 过若干次疲劳试验结果拟合得到的s - n 曲线来反映，其表达式记为， 大连理工大学硕士学位论文 n s ”= a ( 2 1 ) 其中，m 、a 为疲劳试验得到的参数。 对上式等号两边分别取对数，得 l g n = l g 彳一m l g s( 2 2 ) 这就是常用的s n 曲线的双对数线形模型，在l g n - i g s 坐标系中，它是一条直线。 如前所述，s 和之间的关系是由试件的疲劳试验得到的，大量的研究结果表明， 在给定的应力范围s 下，参数所的离散性不大，可看作是一个确定的值，而疲劳寿命 和参数4 则应当作为随机变量处理，通常认为服从对数正态分布。由于服从对数 正态分布，也就是l g n 服从正态分布，由式( 2 2 ) 中l g a 和l g n 的关系可知，l g a 也是 正态分布随机变量。 世界上很多机构、部门和组织提供了大量的s n 曲线数据，这些数据之间又存在相 当大的差别，疲劳强度校核中的重要工作就是选择恰当的s - n 曲线。 ( 2 ) 疲劳累积损伤理论 按m i n e r 线性累积损伤理论，结构在多级恒幅交变应力作用下总的疲劳损伤度d ； 等于各个应力范围水平墨下的损伤度d i 之和。某一应力范围水平墨下的损伤度d j 等于 该应力范围的实际循环次数与结构在该应力范围置单一作用下直至破坏所需的循环 次数之比。若应力范围水平共有k 级，则 d = d ，= 号 ( 2 3 )_ _ r、-7 线形累积损伤理论认为，当累积损伤度d = i 时，结构发生疲劳破坏。 当疲劳载荷谱不是用若干级应力范围水平的组合表示，而是用相应于一定时间期间 的连续概率密度函数表示时，疲劳累积损伤度的计算可表示为： 。= 争ni 盟n 螋= m 了弛n g 4 ) i p 一7 其中， 卜应力范围； 兀( s ) 应力范围分布的概率密度函数； 舻一在应力范围s 的单一循环载荷作用下结构达到破坏所需的循环次数； ，所考虑的整个时间期间内应力范围的总循环次数； y d p s o 典型结构疲劳寿命分析 咖= l 五( s ) d s 落在区间i s ，s + 豳】内的应力范围循环次数； - f 对所考虑的整个时间期问的积。 l 将式子( 2 1 ) 代入( 2 4 ) 得到累积损伤度的常用计算式 。= 筹钌 偿5 ， 式中， 卜应力范围。 兀( s ) 应力范围分布的概率密度函数； m 所考虑的整个时问期间内应力范围的总循环次数； 4 s n 曲线的参数。 s - n 曲线法可以分为以下四种方法【1 】如表2 1 所示： 表2 1 四种s - n 曲线法的比较 t a b l e2 1t h eo o m p a r i s i o no ff o u rt y p e so fs - n0 u i v f 大连理工大学硕士学位论文 切口般法弘话蹄巳警髫寻芸茎震霉魈能喊 2 2 2 断裂力学法 船舶材料或结构中的缺陷，是不可避免的。由缺陷引起断裂所发生的结构失效，是 工程中最重要的、最常见的失效模式之一。2 0 世纪，人们对于裂纹的广泛研究，深化了 认识，逐步形成了“断裂力学”。以此为基础，人们控制断裂，控制裂纹扩展的能力不 断增强。 断裂力学比较关心的是裂纹尖端附近的应力场，由此，引入了应力强度因子的概念。 根据线弹性断裂力学理论： 石一口石石厂( 口， ) ( 2 6 ) 其中，f ( a ，w ) 为几何修正系数，反映构件和裂纹尺寸对裂纹尖端应力场的影响：足为 反映了裂纹尖端弹性应力场的强弱，k 越大，尖端应力越大。 图2 i 厚度对k c 的影响 f i g 2 1 t h eh u u c n c co ft h i c k c s so n b 试验表明，材料断裂时的应力强度因子石c 是与试件的厚度有关的，如图2 1 所示。 一般说来，砰随着厚度b 的增加而减小。只有当厚度足够大时，k f 才会取得不随厚度 9 f d p s o 典型结构疲劳寿命分析 继续改变的最小值。满足这一条件的群就认为是反映材料最低抵抗能力的材料系数， 称为材料的平面应变度断裂韧性，- i g 为k ，c ，靠越大，材料的抵抗能力越强；另一方面， 足 还与温度有关，温度越低，足胪越小，故应特别注意低温脆断的发生。 裂纹尺寸、作用应力、断裂韧性3 个因素，是控制断裂是否发生的最基本因素。裂 纹尺寸越大，作用应力越高，发生断裂的可能性就越大；材料的断裂韧性越高，抵抗断 裂的能力越强，发生断裂的可能性就越小。 但是事实上，任何实际工程材料，在裂尖处都要发生屈服。对于一些高强度脆性材 料，裂尖屈服区较小，线弹性断裂力学继续可以使用，但需要进行修正。设屈服区尺寸 为0 ，只要用口+ 0 来代替真实的裂纹尺寸口，就可以根据线弹性计算墨。 对于中、低强度材料，一般有较高的断裂韧性。裂纹尖端将出现较大范围的屈服 区，线弹性断裂力学不再适用。随着作用应力的增大，裂尖屈服区增大，裂纹越来越张 开。裂纹尖端张开位移记作万。 万一等e h s c c ( 爿 亿7 ， 万 ii2 仃。ji 、。 因此，若屈服范围较大，万由上式给出，则用裂纹尖端张开位移良作为描述材料抗断裂 能力的参量，颤需要通过c t o d 的试验确定。 而在小范围屈服情况下，断裂判据可用应力强度因子，表达为k k ，c 。 另一方面，疲劳裂纹扩展速度公式一般可写为 豢= ( 从，r ) ( 2 8 ) 拼 、。7 、7 从初始裂纹口0 到临界裂纹长度积分，有 志= f 柳 ( 2 9 ) l 一= i 丑，v ，7u 、 ：，( 必，r ) r p 。7 可以得到坼( 断裂时的循环次数) 。 断裂力学中用以描述裂纹扩展速率别拼的p a r i s 公式，已经被国际上广泛承认， 因此在船体结构的研究设计方面已得到了广泛的应用。 以上两种方法各有优缺点。s - n 曲线法利用了抽象的“破坏”模型，从而可以避免 裂纹尖端场的应力分析，而且在有的情况下，疲劳裂纹起始阶段的寿命可以占总寿命的 很大一部分。断裂力学法可以更好地反映尺度效应以及可以对一个已有裂纹的结构提供 大连理工大学硕士学位论文 一个更精确的剩余寿命估算方法。最科学合理的方法是将这两种方法结合起来，用s - n 曲线预报裂纹的起始寿命，用断裂力学法预报裂纹的扩展寿命，然后全寿命。但是这种 结合的方法比较复杂，涉及到的因素很多。 致最后的结果有很大的不确定性或离散度。 2 2 3 可靠性方法 由于每种因索都含有不确定性，这样将会导 因而目前常采用s n 曲线法。 由于材料疲劳强度内在的不确定性以及船舶结构遭遇的海况的统计特性等许多不 确定因素的影响，结构的疲劳寿命必然是不确定的，是一个随机的变量。所以在疲劳寿 命评估中考虑不确定因素的影响，利用概率的方法来进行分析就显得十分重要。结构可 靠性理论能合理地处理结构工程设计和分析中的不确定性，因此结构可靠行分析在结构 安全性的评估中能够大显身手。结构可靠性分析主要是是获得在疲劳载荷作用下随时间 f 变化的结构可靠度尺文d 。作用在结构上的广义载荷是时间f 的函数双d ，结构的广义抗 力r ( 0 将随着时间不断退化。结构疲劳可靠性分析可以给出下述两类结果：一是在给定 结构可靠度下，求出结构的疲劳寿命；二是在给定的疲劳寿命下，求出结构可靠度随时 间的变化规律。 2 3 应力范围长期分布的连续型和分段型模型 应力范围在结构整个寿命期间的分布称为应力范围的长期分布。但是，在进行疲劳 评估时，其疲劳寿命事先并不知道，因此，通常将应力范围在一个适当的确定时问长度 内有代表性的分布看作是应力范围的长期分布。这一时间长度称为疲劳载荷谱的回复 期。 2 3 1w e i b u l l 分布 在船舶结构疲劳分析中，常采用两参数的w e i b u l l 分布来表示应力范围s 的长期分 布，其概率密度和分布密度分别为， z c s ，= 考( 詈 c x p i 一( 詈) 6i 。s 驴，叫s 钏小即沪唧 一( 书 口嘲 再根据瓯超越概率的定义，可得到尺度参数g 和瓯的关系如下： 留2 瓦i 薪 ( 2 1 3 ) 。( 1 i l o ) “ 卜7 以回复期作为考虑的时间期间，将应力范围长期分布的表达式( 2 1 0 ) 代入( 2 5 ) ，得 到相应的疲劳损伤计算式， 。= 筹了s ”考( 朝柚唧 _ 6 d s = 筹g 叮q + c 2 ， 式中， ，所考虑的整个时间期间内应力范围的总循环次数5 历、4 疲劳试验得到的s n 曲线参数； r 应力范围长期分布的尺度参数； 卜应力范围长期分布的形状参数； r o 伽玛函数。 2 3 2 分段连续分布 在船舶与海洋工程中，海洋波浪的长期状态通常看成是由许多短期海况的序列所组 成。每一海况由表征波浪特性的参数以及该海况出现的频率来描述。对每一短期海况， 通常是把波浪作为一个平稳正态随机过程来研究。相应地，船舶结构因波浪引起的交变 1 2 大连理工大学硕士学位论文 应力过程也可以看成是由许多短期海况的序列所组成。对于航行在海洋中的船舶而言， 还应按航向进一步划分航行工况。对每一海况和给定航向和航速，交变应力过程是一个 均值为零的平稳正态过程，其相应的应力范围分布称为短期分布。根据平稳正态交变应 力过程的统计特征，应力范围的短期分布可用连续的理论概率密度函数来描述。实际分 析时，航速一般取为个定值。综合所有海况和航向的应力范围短期分布以及各海况和 航向出现的频率，就得到了应力范围的长期分布，其形式是分段连续的。 实际应用中，一般是将某一海况中在给定航向下的交变应力过程作为均值为零的窄 带平稳随机过程，则根据随机过程理论可知，其应力峰值服从r a y l e i g h 分布，概率密 度函数为 1 ， ， 1 ，2 、 f r ( y ) 2 舞p 【彖j 咚y 针 ( 2 ”) 式中，y 为应力峰值；e r a 为交变应力过程的标准差。 2 4 基于s n 曲线的简单和直接计算法 基于s - n 曲线的疲劳寿命评估方法可以采用简化计算方法或直接计算方法。由于船 体结构中纵骨与横舱壁或横框架相交的节点较多，计算的工作量比较大，因此船体纵骨 的疲劳寿命计算多采用简化的计算方法。在简化分析中也可以按规范提供的经验公式计 算波浪弯矩、波浪动压力、液货和压载水的压力，然后计算校核点的应力成分，在确定 应力集中系数后，就可以进行应力合成从而计算出疲劳损伤系数：也可以根据波浪统计 资料( 如波浪散布图等) 进行载荷响应的预报，再确定应力成分和应力合成，最终计算出 损伤系数。 2 4 1 简单计算法 一般选择满载和压载计算工况，在每一工况下，利用经验公式计算得到对应于某一 超越概率水平下的波浪诱导载荷值和运动响应值，进而给出由于船体运动而产生的货物 对船体的动载荷计算公式。在操作中，首先计算船体梁载荷诱导的船体梁应力。然后计 算由外部水动压力以及船舶运动引起的内部货物惯性力等局部载荷产生的局部应力。而 后，对船体梁应力和局部应力进行组合，得到参考应力。根据参考应力及其所对应的概 率水平，可以得到应力范围的长期分布。利用s n 曲线及m i n e r 线性累积损伤理论，得 到疲劳累积损伤度。 其主要思想是： ( 1 ) 假定应力范围的长期分布为两参数的w e i b u l l 分布； f i ) p s o 典型结构疲劳寿命分析 ( 2 ) 该w e i b u u 分布的形状参数，是利用给定的海况数据对一批船舶进行疲劳载荷 的长期分析，然后对结果进行拟合，从而得到用船舶的某些特征参数表达的计算形状参 数值的经验公式。这些船舶特征参数一般包括船长、吃水、型深以及所考虑结构的位置 等； ( 3 ) 尺度参数可用式( 2 1 3 ) 得到。为此，首先要规定一个合适的疲劳载荷谱的回 复期，例如，d n v 规范的疲劳评估简化方法中规定用n o ；1 0 4 次疲劳载荷循环作为回复 期。以这一回复期为前提，对应于超越概率为p ( s , 9 0 ) = 1 n o 应力范围鼠则由一系列 简化公式来计算。一般是用给定的海况数据对一批船舶进行长期分析，然后对结果进行 拟合而得到这些简化公式，它们构成了疲劳评估简化方法的主要内容； ( 4 ) 基于m i l i e t 线性累积损伤理论和s - n 曲线得到疲劳累积损伤，在得到了w e i b u l l 分布的形状参数和尺度参数后，即可利用式( 2 1 4 ) 计算得到疲劳累积损伤度d ，一般 认为，当累积损伤度d 1 0 时，结构发生破坏。 目前，世界上各主要的船级社d n v 、c c s 、a b s 、l r 、g l 、b v 、k r 、n k 、r i n a 等都分别建立了各自的疲劳强度校核方法。就疲劳评估简化方法的有关细节和具体规定 而言，各船级社的方法存在着较大的差别，但是，总的来说。其简化计算方法的主要内 容和计算过程是类似的，主要包括下述内容： 1 ) 疲劳载荷计算； 2 ) 各个应力范围分量的计算； 3 ) 应力范围的合成； 4 ) s n 曲线的确定； 5 ) 累积损伤度的计算和衡准。 2 4 2 直接计算法 疲劳评估的直接计算法是相对于简化方法1 面言的，这类方法是直接由波浪载荷计算 程序得到疲劳载荷，并进而通过结构有限元分析或其它方法得到疲劳应力响应和应力范 围。在实际应用中，直接计算法可以有多种形式，主要有基于谱分析的方法和设计波方 法。 疲劳评估谱分析法是目前公认的较为精确地疲劳评估方法，其过程可用下面的流程 图说明： 1 4 大连理工大学硕士学位论文 图2 2 谱分析法计算流程图 f i g2 2 t h ep r o c e s so fs 1 c t r a la n a l y s i sm e t h o d 但是，谱分析方法存在计算量大的问题。相对工作量比较小的设计波法的应力用有 限元分析得到，其应力计算相比简单计算法更为合理。但是设计波的选择可能会因个人 主观判断的不同而引起巨大的差别。设计波法一般包括以下一个方面：选择有代表性的 规则波( 设计波) ；计算结构在设计波条件下的应力响应；应力长期分布；计算累计疲 劳损伤。 f d p s o 典型结构疲劳寿命分析 3d n v 规范中的疲劳评估简化方法 3 1 疲劳载荷计算 在船体疲劳强度评估中仅考虑船体梁载荷( 波浪弯矩和扭矩) 、海水动压力和由船 体运动加速度产生的舱内货物压力这三种波浪诱导载荷作为疲劳分析的外载荷。下面将 分别阐述这三种载荷的计算经验公式。 3 1 1 船体梁载荷的计算 1 ) 沿船长各横剖面的的中拱波浪弯矩m 。和中垂波浪弯矩m 。，分别按下式计算： m 。 = o 1 9 f k , , 。q e - b c ,删m )( 3 1 ) m 。= - 0 1 l f , k , 。c 。，r b ( 巴+ 0 7 )渊m ) ( 3 2 ) 式中， l 船长： b 咱骨宽； 巳方形系数。 f 为概率水平转换因子，将超越概率由1 0 。8 转化为1 0 4 ，它的值由下两式得到； f ；o 5 ( 3 3 ) = 2 2 1 0 5 4 l o g ( l ) 长期w c i l m u 分布形状参数： 髟。为波浪弯矩沿船长的分布系数，见图3 1 ； m t 。1一o l 图3 1 弯矩沿船长的分布系数 f i g 3 1 m o m td i s t r i b u t i o nf a o t o r 1 6 大连理工大学硕士学位论文 ；l o 7 5 一( 3 0 0 - l ) 1 j 、酆o o m s l 3 0 0 m l 1 0 0 j 训叫一r _ 当3 5 0 m l 1 5 0 ii 一o 2 2 4 以, + 0 3 0 b ) c n ( ，一s ( 芋) ) 删 卜哪热“2 盱。， 耻一卜小岫訾( 0 7 + 2 刨舢刁 1 7 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) f d p s o 典型结构疲劳寿命分析 兄横向运动引起的动压力； 0 压力沿船体外围的分布系数，计算公式如下； 7 - - 1 0 当? 乙一， ：盘掣当乙一 = 乙+ ( 3 8 ) 纠 = 0 0 当乙，+ o f 1 5 ( 3 9 ) 上 在尾垂线及以后 在0 2 l 到o 7 工船长 在首垂线及之前 在干舷与乙之间取最小值； 但不小于b 4 。 ( 3 1 0 ) 火连理工大学硕士学位论文 3 1 3 船舶运动加速度的计算 加速度常数口0 按下式计算： a o = 3 巳l + c v v 厄 式中， 巴，波浪系数； 三船长； q ，航速参数，c r ；z 5 0 ，最大值为不超过0 2 ； 矿设计航速。 纵荡加速度口，按下式计算： q = 0 2 9 a o ( m s 2 ) 式中， g 重力加速度； 口0 加速度常数： 巳方形系数。 横荡及艏摇加速度a 按下式计算： a 。= 0 3 9 a o ( m 9 2 ) 式中， g 重力加速度； 吼加速度常数。 垂荡加速度口：按下式计算： q ：= 0 7 9 a o c b ( m s 1 、 式中， g 重力加速度； 口i i 加速度常数； 巳方形系数。 横摇周期五按下式计算： 1 9 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) f d p s o 典型结构疲劳寿命分析 五= 2 k , 4 g m ( s )( 3 1 5 ) 式中， 以横摇转动半径，没有确切数值时，可按照下列格式估算： | j ；o 2 5 b纵舱壁之间装载矿物的船舶 = 0 3 5 b 单壳油船压载工况 = 0 3 9 b 其他 g m 计算工况下的初稳性高，没有确切数值时，可按下式估算： g m = 0 0 7 b 一般情况下 = o 1 2 b 单壳油船、散货船和满载双体油船 = 0 2 5 b 压载散货船 = o 3 3 b 压载双体油船 = o 0 4 3集装箱船 最大横摇角按下两式计算： 口= o 2 5 - 0 0 2 5 t r 弦 ( 3 1 6 ) = 5 0 c + 7 5 ) ( r a d ) 式中， j 系数，当船舶无舭龙骨时，豇= 1 2 ；当船舶有舭龙骨时，k = 1 0 ：当船舶具 有减摇装置时，k = 0 8 。 横摇加速度按下式计算； 口。= ( 2 万瓦) 2 j k ( m s 2 )( 3 1 7 ) = ( 2 万靠) 2 r 】( m s 2 )( 3 1 8 ) 式中。 口。横摇加速度的水平分量： 口，横摇加速度的垂向分量； 最大横摇角； 瓦横摇周期； 为舱室质心到船舶横摇中心的垂向距离； 大连理工大学硕士学位论文 式中 式中 为舱室质心到船舶横摇中心的水平距离。 纵摇捌新l 计算式如下： 耳一l8 止7 9 ( s ) 最大纵摇角口按下式计算： p - 0 2 5 0 0 i g ( r a d ) 纵摇加速度按下式计算： 。觑2 f 佴) 2 8 ( m 陪2 ) = 8 ( 2 ，r t p ) 2 耳r ( 2 ) ( 3 1 9 ) 口最大鲰摇角： l 纵摇周期； 如自自室质心到船舶纵摇中心的垂向距离； 嘞哥宦室质心到船舶纵摇中心的水平距离。 横向台成加速度q 、缴向合成加速度日和垂向合成加速度q 分别按下式计算 q = 污瓦面瓦了 恤胪 q = 厍石五磊了 ( 2 ) rr i 1 。 窑兰州) 【略+ 口横摇荡及艏摇诱导的自日速度 p 重力加速度： 最大横摇角； 乱横摇加速度水平分量； 横摇自“速度垂向分量： ( 32 1 ) 62 2 ) ( 32 3 ) ( 32 4 ) f d p s o 典型结构疲劳寿命分析 口，纵荡加速度： 伊最大纵摇角： 口。纵摇加速度水平分量； 口。纵摇加速度垂向分量； 口：垂荡加速度。 3 1 4 液货( 压载水) 动压力的计算 d n v 规范的货物压力按下式计算： j 0 = p a , ，吃 p = 无m a x 最= p a , i 儿f 承n 艋2 ) ( 3 2 6 ) 【只= p a th 式中， 只为垂向加速度引起的压力； 只为横向加速度引起的压力； 只为纵向加速度引起的压力： 吃为自由液面中心距计算点的垂向距离； 乃为自由液面中心距计算点的横向距离； x 为自由液而中心距计算点的纵向距离。 无为概率水平从1 0 到l o 。4 的转化因子； 无= o 5 l ， ( 3 2 7 ) 厅= + o 0 5 = 2 2 6 0 5 4 1 0 9 ( z ) 3 1 4 海水