（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于共同结构规范的船舶疲劳强度研究及抗疲劳设计.pdf

j 。 ， c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g f a t i g u es t r e n g t ha s s e s s m e n tr e s e a r c ho n c s ra n d d e s i g na g a i n s tf a t i g u ef a i l u r e c a n d i d a t e ：l i a n gy u s u p e r v i s o r ：p r o f r e nh u i l o n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e ci a l t y ：d e si g na n dc o n s t r u c ti o no fn a v a l a r c h it e c t u r ea n do c e a ns t r u c t u r e 由 d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：燃 日期： 如7 0 年t 月，口日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。，涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 豳在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等， 作者( 签字) ：梁镌 导师( 签字) ： 7 压佬彩丧厂 日期： 2 0 矽年月如日z 9 厶钾月肜日 v 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 2 0 0 6 年4 月，i a c s 颁布了散货船共同结构规范和双壳油船共同 结构规范，在船级社历史上第一次将疲劳强度列入散货船与油船的船级条 件。但二者对疲劳强度的评估采用了重大不同的处理方法，造成了计算结果 的差异。本文对c s r 的疲劳强度评估部分做了较为深入的研究，主要工作内 容有以下几个方面： 1 ) 系统阐述散货船共同结构规范和双壳油船共同结构规范疲劳 强度评估的基本流程和主要内容，发现二者疲劳评估方法还是存在着比较大 的差异，主要表现在疲劳载荷、工况、应力合成、s n 曲线、w e i b u l l 形状参 数、热点应力插值方式等方面。 2 ) 重点从以下三个对疲劳评估结果起着决定性作用的关键点入手，对 c s r 疲劳评估进行深入研究： ( 1 ) 疲劳载荷的确定； ( 2 ) 疲劳校核部位的选取； ( 3 ) 热点应力法中有限元网格尺寸的确定及热点应力提取与插值方式： 3 ) 根据c s r 疲劳强度评估要求，从影响焊接接头疲劳强度的因素、提 高抗疲劳性能的节点设计方法和提高抗疲劳性能的工艺方法等几方面，对船 舶节点的抗疲劳设计展开讨论。其中“提高抗疲劳性能的节点设计方法”，以 一条1 1 万吨原油轮为例，对甲板横向强框架的大肘板趾部等6 个部位，每个 部位给出两种常见的节点形式，根据c s rt a n k e r 规范，计算出各个部位、 不同节点形式的累积损伤。通过对同一部位的两个节点形式的疲劳评估结果 进行对比分析，找出了疲劳寿命更优的节点结构形式，对今后船舶节点的抗 疲劳设计，提供一些参考性建议。 关键词：船舶结构；疲劳强度；共同规范；热点应力法；名义应力法； 抗疲劳设计 ， _ _ 0 哈尔滨工程大学硕十学位论文 a b s t r a c t c o m m o ns t r u c t u r a lr u l e sf o rb u l kc a r r i e r sa n do i lt a n k e r s ( c s r ) w h i c hw a s d e v e l o p e db yi a c sh a sg o n ei n t oe f f e c to n1s ta p r i l2 0 0 6a n du n i f i e dt h e b u i l d i n gs t a n d a r do fb u l kc a r r i e r sa n do i lt a n k e r s ，b u to nf a t i g u ea s s e s s m e n t m e t h o dt h e r ea r es t i l ls o m ed i f f e r e n c e sb e t w e e nb u l kc a r r i e r sa n d0 i lt a n k e r s n em a i nc o n t e n ti nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 ) m b a s i cp r o c e s s e sa n dt h em a i nc o n t e n t so ff a t i g u es t r e n g t ha s s e s s m e n t m e t h o di nc o m m o ns t r u c t u r er u l e sw a ss u m m a r i z e da n dd i s s e r t a t e d a u t h o r f o u n dt h a tt h e r ei sa r e l a t i v e l yb i gd i f f e r e n c eb e t w e e nb o t hf a t i g u ea s s e s s m e n t m e t h o d s ，m a i n l ym a n i f e s t e di nt h ef a t i g u el o a d ，l o a d i n gc o n d i t i o n , s t r e s sr a n g e c o m p o s i t i o n ，s - nc u r v es e l e c t i o n ，w e i b u up a r a m e t e rs e l e c t i o n , a n ds oo n 2 ) e m p h a s i sa n a l y s i so nf o l l o w i n gt h r e ec r i t i c a lp o i n t sf o rf a t i g u ea s s e s s m e n t o fc s rw a sc a r r i e do u t ： ( 1 ) t h ef a t i g u el o a d ； ( 2 ) t h es e l e c t i o no ff a t i g u ea s s e s s m e n tl o c a t i o n s ； ( 3 ) ，n l es i z eo ft h ef i n i t ee l e m e n tm e s ha n dt h eh o ts p o ts t r e s se x t r a c t i o na n d i n t e r p o l a t i o nm e t h o di nh o ts p o ts t r e s sm e t h o d 3 ) a c c o r d i n gt ot h ef a t i g u ea s s e s s m e n to fc s r ，d e s i g na g a i n s tf a t i g u ef a i l u r e w a ss t u d i e da n da n a l y z e db yt h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h ef a t i g u es t r e n g t ho f w e l d e dj o i n t s ，h u l ls t r u c t u r a ld e t a i l sd e s i g nm e t h o d sa n dw o r k m a n s h i pp r o c e s s e s m e t h o d so fi m p r o v i n gf a t i g u ep e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt oc s rt a n k e rr u l e s ， t h ef a t i g u ea n a l y s i sf o ral10 ，0 0 0d w to i lt a n k e rw a sc a r r i e do u t ，as e r i e so f g o o dh u l ls t r u c t u r a ld e t a i l sw e r es e a r c h e da f t e ra n ds o m er e a s o n a b l es u g g e s t i o n s a b o u td e s i g na g a i n s tf a t i g u ef a i l u r ew e r eg i v e n k e yw o r d s ：s h i ps t r u c t u r e ；f a t i g u ea s s e s s m e n t ；c s r ；h o ts p o ts t r e s sa p p r o a c h ； n o m i n a ls t r e s sa p p r o a c h ；d e s i g na g a i n s tf a t i g u ef a i l u r e 哈尔滨工程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 课题的国内外研究现状2 1 3 本文的主要工作4 第2 章散货船共同规范疲劳评估方法”6 2 1 概述6 2 2 装载工况的确定6 2 3 载荷实例的确定7 2 4 疲劳载荷8 2 4 1 关于水动压力的修正8 2 4 2 关于端面载荷的计算9 2 5 应力范围的计算及合成11 2 5 1 名义应力法1 1 2 5 2 热点应力法1 4 2 6 平均应力的计算1 5 2 6 1 名义应力法1 5 2 6 2 热点应力法1 6 2 7 对热点应力范围的修正1 6 2 8 疲劳累积损伤的计算一1 7 2 8 1s - n 曲线的选取- 1 7 2 8 2w e i b u l l 形状参数的选取17 2 8 3 累积损伤计算公式1 8 2 8 4 疲劳累积损伤计算中需要说明的几点1 8 2 9 本章小结1 9 哈尔滨1 二程大学硕十学位论文 第3 章双壳油船共同规范疲劳评估方法2 0 3 1 概j 苤2 0 3 2 装载工况与疲劳载荷2 0 3 2 1 名义应力法2 0 3 2 2 热点应力法2 1 3 3 应力范围的计算及合成2 2 3 3 1 名义应力法2 2 3 3 2 热点应力法2 4 3 4 平均应力的计算及修正一2 7 3 4 1 名义应力法2 8 3 4 2 热点应力法2 8 3 5 疲劳累积损伤的计算2 9 3 5 1s n 曲线的选取一2 9 3 5 2w e i b u l l 形状参数的选取一2 9 3 5 3 累计损伤公式3 0 3 6 本章小结”3 1 第4 章c s r 疲劳评估若干技术要点研究一3 2 4 1 概述3 2 4 2c s rb c 与c s rt a n k e r 疲劳载荷的对比分析3 2 4 3 疲劳校核部位的选择3 4 4 3 1c s rt a n k e r 中对疲劳校核部位的说明：”3 5 4 3 2c s rb c 中对疲劳校核部位的说明：3 6 4 3 3c s rb c 与c s rt a n k e r 中关于疲劳校核部位要求的比较：3 6 4 3 4c s rt a n k e r 疲劳校核部位的确定：”3 7 4 3 5c s rb c 疲劳校核部位的确定：4 5 4 4 热点应力法中有限元网格尺寸的确定及热点应力的提取与插值方式5 1 4 4 1 热点应力法中有限元网格尺寸的确定：5 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 4 2 热点应力的提取与插值方式：5 3 4 5 本章小结“5 7 第5 章基于c s r 的船舶结构节点抗疲劳设计5 8 5 1 概述”5 8 5 2 影响焊接接头疲劳强度的因素：5 8 5 3 提高结构抗疲劳性能的节点设计方法：6 0 5 3 1 甲板横向强框架的大肘板趾部：6 0 5 3 2 内底板与底边舱斜板相交处：6 4 5 3 3 横舱壁与内壳相交处：6 7 5 3 4 底边舱斜板与内壳相交处：6 9 5 3 5 纵舱壁的垂直桁大肘板趾部与内底连接处：7 2 5 3 6 横舱壁的水平桁与内壳连接处：7 5 5 4 提高结构抗疲劳性能的工艺方法：7 9 5 4 1c s r 中规定的工艺方法7 9 5 4 2 提高疲劳性能的工艺措施：8 0 5 4 3 焊后特殊处理：t i g 重熔和超声冲击技术8 0 5 5 本章小结8 l 结论“8 2 参考文献8 5 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果8 9 致 射9 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着船舶大型化的发展，船舶结构的疲劳强度已成为确保船体结构安全 的重要问题，越来越受到国际航运及造船界的普遍重视。由于船体结构疲劳 所产生的裂纹，破坏到一定程度对整个船舶将产生灾难性的后果，对船员人 命安全及物质财产产生重大损失，但疲劳裂纹的产生又具有很强的突发性和 隐蔽性，极难发现。因此在船舶设计阶段就应认真考虑船体结构的疲劳强度， 船舶结构疲劳强度评估的重要性不言而喻! 为了使各船级社的规范在结构尺寸上取得一致，消除i a c s 成员中在船 舶结构最小尺寸上的竞争【l 】，同时为了满足国际航运界建造更安全、更坚固 船舶的目标，2 0 0 6 年国际船级社协会( i a c s ) 颁布了散货船共同结构规范 嘲( 简称：c s rb c ) 和油船共同结构规范【3 】( 简称：c s rt a n k e r ) ， 有史以来第一次在全球范围内推行统一的船舶结构规范，对造船界产生了深 远的影响。但是由于两规范的开发者不n f 4 j ，因此在疲劳评估过程中，对某 些共性问题的处理并不相同，这将会不同程度地影响评估结果。尤其体现在 对评估结果起决定性作用的关键点，如：疲劳载荷的确定、疲劳校核部位的 选取和热点应力法中有限元网格尺寸的确定及热点应力的提取与插值方式 盘莹 寸。 疲劳载荷的确定是疲劳强度评估的第一步，对评估结果起着至关重要的 作用，而两规范疲劳载荷的确定具有完全不同的思路和方法，因此深入研究 二者疲劳载荷确定的基本方法和原理，对比分析二者异同，对更好的理解及 应用共同规范具有十分积极的作用。 疲劳校核部位的选取是疲劳校核的关键一步，如疲劳校核部位选择不对 或不全面就无法正确反映出其中最容易发生疲劳断裂的部位，直接影响疲劳 哈尔滨t 程大学硕+ 学传论文 强度评估结果。但由于疲劳计算工作量十分巨大，限于人力与时间，实际工 作中，只能对疲劳损伤最严重、最可能产生疲劳破坏的部分节点部位进行疲 劳校核。本文拟通过对一条油轮及一条散货船的若干可能发生疲劳破坏的部 位进行疲劳评估，找出疲劳寿命最短的部位，这些疲劳校核重点部位的确定， 可为今后的疲劳强度评估和抗疲劳设计提供一些参考性建议和相关经验。 热点应力法中有限元网格尺寸的确定及热点应力的提取与插值方式直接 影响疲劳评估结果，而c s r 对精细网格单元尺寸的具体取法，说明比较模糊， 而对于热点应力的提取，规范中更是仅给出了提取的基本原则和总体方式。 笔者拟通过实例的分析研究，对此给出具有实际操作性的具体方法，便于今 后更好的进行共同规范的实际应用。 另外，船舶节点的抗疲劳设计是当代船舶设计核心技术之一，是从设计 源头提高船舶使用寿命的重要手段。本文拟依据c s r ，从影响焊接接头疲劳 强度的因素、提高抗疲劳性能的节点设计方法和工艺方法等方面，对船舶节 点的抗疲劳设计展开讨论。若把分析结论运用于设计实践，可为今后更好的 进行结构抗疲劳设计提供理论基础，对提高新船的结构设计水平具有一定参 考意义。 1 2 课题的国内外研究现状 人们对船舶结构疲劳问题的真正重视开始于上世纪7 0 年代末，当时， j o r d a n 和c o e h r a n 等人对正在服役的8 6 艘船舶的节点部位进行了调查，结果 发现了不少疲劳裂纹。之后世界上众多学者的研究【5 】【6 】【7 】【8 】【9 】，不断表明：疲 劳破坏在船舶破损中占有重要地位，占到所有结构破坏比例的8 0 。因此， 人们对船体结构的疲劳强度越来越重视，对疲劳强度的研究也越来越多，各 船级社又重新仔细审查它们的设计规则，特别是意识到必须把疲劳强度校核 也放入设计规则中，即在船舶设计阶段就应该认真考虑船舶节点的强度是否 满足要求。渐渐地，世界各主要船级社如g l 1 0 1 、d n v t l l l 、a b s e l 2 1 、b v 13 1 、 l r 1 4 1 、n k t l5 1 、k r e l 6 】等分别建立了各自的疲劳强度校核方法。但是，各船级 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 社所提供的方法之间存在很大差别【1 7 】，这给船舶设计和建造带来很大不便， 为了统一规则，消除差异，2 0 0 6 年，i a c s 颁布了散货船共同结构规范 和油船共同结构规范。 目前各国船级社提出的疲劳强度评估方法主要可分为简化算法和直接计 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，载荷是用波浪载荷程 序直接计算，应力用有限元直接计算，然后采用谱分析的方法或设计波的方 法进行疲劳累积损伤的计算。 2 0 0 6 年4 月i a c sc s r 规范在船级社历史上第一次将疲劳强度列入油船 与散货船的船级条件。但散货船共同结构规范和双壳油船共同结构规 范对疲劳强度的评估采用了重大不同的处理方法，造成了计算结果的差异。 相比起来，散货船共同结构规范的疲劳偏于试用性，而双壳油船共同结 构规范的疲劳方法偏于经验性。这种差异给船舶结构设计带来了困难，而 且i a c s 在2 0 1 1 年以后要出版新的c s r ，在其中，疲劳强度校核将在两本规 范里取得统一。 长期以来，在船舶设计中并未引入“疲劳 设计概念，并不是说疲劳现 象不存在，而是因为长期的经验与疲劳理论不成熟所致。尤其，在2 0 世纪 8 0 年代，五大原因导致事故发生【1 剐，从而造成人们对疲劳设计的重新认识： 一是设计原因，设计的船舶存在大量的不连续结构； 二是工艺原因，焊接程序不当及板逢对接偏差过大； 三是高强度钢及新钢材的大量使用，造成工作应力增加与结构尺寸的减 少； 四是船舶大型化使结构尺寸变得很大，如有的甲板厚度达1 0 0 m m 左右， 而疲劳特性对钢的抗拉强度十分敏感，使长期依赖的静应力水平的判断方式 趋于失效； 五是有些特殊用途船，需要在2 0 年或更长的时间内不能移动，使得疲劳 设计必须依赖于安全寿命进行。 3 哈尔滨工程大学硕十学位论文 近十年来船舶大型化及设计部门逐步舍弃了几百年来设计中采用的设计 裕度，造成了大量船舶在一些应力集中的区域出现裂纹，抗疲劳设计则是防 止这个缺陷的主要手段之一。 因此，深入剖析两规范在若干关键技术问题上的处理方式，以及在此规 范的基础上，改进节点结构形式以提高疲劳寿命，对更好的应用、完善、发 展共同结构规范，提高船体结构节点的抗疲劳设计水平，延长船舶使用寿 命具有十分深远的意义。 1 3 本文的主要工作 1 ) 研究并理解散货船共同结构规范、双壳油船共同结构规范中的 有关船体结构疲劳强度的分析方法。主要从有限元模型，疲劳载荷、计算工 况、平均应力的修正、热点应力的选取及插值方式、应力范围的合成方式、 s n 曲线的选取、累积损伤d 计算公式等方面，剖析两规范疲劳评估的基 本流程和原理方法。 2 ) 重点从以下三个对疲劳评估结果起着决定性作用的关键点入手，对 c s r 疲劳评估进行深入研究： ( 1 ) 疲劳载荷的确定：通过对c s rb c 和c s rt a n k e r 的疲劳载荷进 行详细的对比分析、深入研究，得到若干有益结论。 ( 2 ) 疲劳校核部位的选取：深入分析c s rt a n k e r 和c s rb c 关于疲 劳校核部位的规定；通过对一条油轮及一条散货船的多个部位的疲劳强度评 估，找出疲劳寿命最短，即疲劳强度最危险的部位。这些疲劳校核重点部位 的确定，可为今后的疲劳强度评估和抗疲劳设计提供一些参考性建议和相关 经验。 ( 3 ) 热点应力法中有限元网格尺寸的确定及热点应力的提取与插值方 式：以内底板与底边舱斜板折角处为例，精细网格区域的单元尺寸分别取： 内底板、底边舱斜板等不同构件的净厚度，以考察不同网格尺寸对热点应力 值的影响，最终得到精细网格尺寸的确定原则；对于热点应力提取，c s r 给 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 出的只是基本原则和总体方式，对于热点应力提取的具体方法，并未详细说 明。笔者通过总结归纳，给出两种常用的热点应力提取的具体方法，并对比 分析二者优劣，给出相关建议。 3 ) 根据c s r 疲劳强度的评估要求，从影响焊接接头疲劳强度的因素、 提高抗疲劳性能的节点设计方法和提高结构抗疲劳性能的工艺方法等几方 面，对船舶节点的抗疲劳设计展开讨论。其 方法”，以一条1 1 万吨原油轮为例，对甲板 部位，每个部位给出两种常见的节点形式， 位、不同节点形式的累积损伤。通过对同一 结果的对比，找出疲劳寿命更优的节点结构 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章散货船共同规范疲劳评估方法 2 1 概述 散货船共同规范与传统的各船级社规范相同，采用简化法计算纵向扶强 材疲劳，直接法计算主要构件的热点应力疲劳。同基于简化公式的简化法相 比，基于有限元的直接计算法能更加确切地反映具体船舶结构的特性和细节， 而且能与疲劳载荷的直接计算相匹配，能针对各不同部位计算出疲劳寿命。 本章将主要阐述c s rb c 疲劳强度评估热点应力法和名义应力法的基本流程 载、重压载等四种装载工况，见下表；对于b c b 、b c c 型船，具有 装载外的其它三种装载工况。而隔舱装载又有中间舱为空舱和中间舱 两种情况：重压载又有中间舱为压载舱和中间舱为非压载舱两种情况。 表2 1散货船船体结构疲劳分析的装载工况 序说 图例 号明 均黟”n 一虽9 訇网同网 匀 1 i 装 ：缸 载 、= 工二、一j _ j 隔 ￥警”。”j 溺 旺罔瞪 舱 圈秀 2 mi ：榭 i r f 装 载 _ 二二_ 面i、 “ 6 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 。- 艮rr 3 般 压 撕枷i_ 载、。一 。、_ 一 4 、。_ j p ”嗍 f 辅渤 重 删匿j 【l 圈 4压 载 矾 毪筮糊；弼隧搦露；锄魁五囫 2 、船长：9 0 m l 1 5 0 m ：基于实际的装载工况进行分析。 2 3 载荷实例的确定 等效设计波：其所产生响应值与结构构件起主导作用载荷分量的长期响 应值相当的规则波。c s r b c 规定了四种等效设计波： 1 、当垂直波浪弯矩在迎浪中达到最大时的规则波( e d w “h ”) 2 、当垂直波浪弯矩在随浪中达到最大时的规则波( e d w “f ) 3 、横摇达到最大时的规则波( e d w “r ”) 4 、当水线处水动压力达到最大时的规则波( e d w “p ) 等效设计波( e d w s ) 的相应载荷实例h 1 、h 2 、f 1 、f 2 、r 1 、r 2 、p 1 、 p 2 、见下表： 表2 2 载荷实例的定义 载荷实例 h 1h 2f lf 2r 1r 2p 1p 2 e d w“h ”f “r ”“p ” 浪向迎浪随浪舷向浪舷向浪 最大弯矩最大弯矩最大横摇最大外部压力 影响 中垂 中拱 中垂中拱( + )( )( + )( ) h 、f 、r 、p 这四种等效设计波的特点： 1 、等效设计波“h ：由纵摇和垂荡共同引起的垂向加速度和垂向波浪 弯矩二者达到最大；h 1 为波谷在船舯，h 2 为波峰在船舯。 2 、等效设计波“f ”：由于加速度引起的惯性力最小，因此垂向加速度达 到最小；f1 为波谷在船舯，f2 为波峰在船舯。 3 、等效设计波“r ”：由横摇引起的横向加速度和不对称分布的水动压 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 力达到最大；r l 为左舷向下，r 2 为左舷向上。 4 、等效设计波“p ：由垂荡引起的垂向加速度和舷侧水线处的水动压力 达到最大。p l 为左舷向下，p 2 为左舷向上。 2 4 疲劳载荷 各种装载工况下，施加的疲劳载荷包括： 1 ) 舷外水压力 舷外水静压力以2 d 面压力的形式施加到相应的板单元上； 舷外水动压力以2 d 面压力的形式施加到相应的板单元上； 2 ) 露天甲板的外部压力以2 d 面压力的形式施加到相应的板单元上； 3 ) 货舱内货物压力 货物静压力以2 d 面压力的形式施加到相应的板单元上； 货物惯性力以2 d 面压力的形式施加到相应的板单元上； 货物剪切力以2 d 平行于板面的力的形式施加到相应的板单元上； 4 ) 舱内液体压力 液体静压力以2 d 面压力的形式施加到相应的板单元上； 液体惯性力以2 d 面压力的形式施加到相应的板单元上； 5 ) 端面弯矩和剪力 端面垂向弯矩及剪力以节点集中力的形式施加到独立点上； 端面水平弯矩及剪力以节点集中力的形式施加到独立点上； 2 4 1 关于水动压力的修正 舷外水压力包括静水压力和水动压力：p = b + 岛。根据不同载荷实例 的水动压力公式求出名，且需要对其进行修正： 1 ) 对于水线处的正向水动压力( 载荷实例h l ，h 2 ，f 2 ，r 1 ，r 2 ，p 1 ) ， 水线以上的水动压力p 矿c ( 参见下图) 为： p w c = p w ，耽+ p g ( 瓦。一z )如果互d z + 互o ( 2 1 ) 8 哈尔溟下程大学硕士学位论文 p w c = 0如果z + ( 2 2 ) 式中：p 耽一水线处的正向水动压力 ：塑 p g 2 ) 对于水线处的负向水动压力( 载荷实例h 1 ，h 2 ，f 1 ，r l ，r 2 ，p 2 ) ， 水线以下舷侧的水动压力p 旷c ，参见下图。 p 彤c = p 矿但不能小于昭0 一) ( 2 3 ) 式中：办一水线以下的负向水动压力。 p 缈c 不能小于；g ( z - t 工a ) 的原因：为了保证外板上任何一点的舷外 水总压力：p = e s + p w 不为负值。 w e a：h e rs i d e7 啪州础 飘 。厶 r c 7 ip 。 i 正向的水动压力负向的水动压力 图2 1 水动压力的修正 2 4 2 关于端面载荷的计算 根据c s rb c 规范，船体梁载荷为静水载荷与船体梁波浪载荷乘上载荷 组合因子之积相加所得。其中船体梁静水载荷包括：垂向静水弯矩、垂向静 水剪力；船体梁波浪载荷包括：垂向波浪弯矩、垂向波浪剪力和水平波浪弯 矩。 其中，垂向静水弯矩为该船体横剖面中拱或中垂工况下的最大计算静水 弯矩；垂向静水剪力为该装载工况下，该剖面处的最大正剪力或负剪力；垂 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 向波浪弯矩、垂向波浪剪力和水平波浪弯矩均可由规范中相关公式计算而得； 载荷组合因子( l c f ) 的取值见c s rb c 第四章第四节表4 6 。 由于施加在模型上的局部载荷会对船体梁弯矩和剪力的分布产生影响， 因此，要得到端面载荷，除了计算出船体梁载荷，还要考虑局部载荷的影响。 将最终确定的端面载荷加在模型自由端面的独立点上。 为了全面模拟可能出现的最危险的受力情况，c s rb e 同时提供了垂向 弯矩分析和垂向剪力分析两种分析流程。 1 ) 垂向弯矩分析： 目标位置：中间舱中心处； 目标船体梁载荷：最大垂向弯矩； 使目标位置的船体梁载荷达到指定目标值( 见下表) ； 表2 3 垂向弯矩分析的目标值 船体梁影响静水波浪考虑位置 垂向弯矩 m s wc w m w 中间舱中心 垂向剪力0 o 中间舱中心 水平弯矩 c 嘲m 哪 中间舱中心 水平剪力 o 中间舱中心 2 ) 垂向剪力分析： 目标位置：中间舱横舱壁处； 目标船体梁载荷：最大垂向剪力； 使目标位置的船体梁载荷达到指定目标值( 见下表) ； 表2 4 垂向剪力分析的目标值 船体梁影响静水波浪考虑位置 垂向弯矩 0 8 m s 矿0 6 5 c 阿m 胛 横舱壁 垂向剪力 耿 横舱壁 水平弯矩0横舱壁 水平剪力 0 横舱壁 下面以垂向弯矩分析为例说明其具体操作流程： 1 ) 首先，在两端面处加一对垂向弯矩一矿，使垂向剪力达到目标值； 然后，考虑局部载荷和m 盯一矿的作用，再在两端面处加一对垂向弯矩 l o 哈尔溟工程大学硕十学位论文 m 删矿使垂向弯矩达到目标值。 2 ) 首先，在两端面处加一对水平弯矩m 弦h ，使水平剪力达到目标值； 然后，考虑局部载荷和m 婀阿的作用，再在两端面处加一对水平弯矩 m 删日使水平弯矩达到目标值。 m 盯矿、m 删矿、m 盯日、m 删日的计算，规范中均有明确的公式，在 此不再阐述。 2 5 应力范围的计算及合成 本节及下节“2 6 平均应力的计算 所研究的对象包括两类：主要构件和 纵向扶强材。主要构件包括：内底板、内壳板、横舱壁、舷侧肋骨等；纵向 扶强材包括：甲板纵骨、底部纵骨等。研究主要构件的方法有直接法和叠加 法两种，其中直接法( 即“热点应力法”) 为常用方法。而研究纵向扶强材的 方法有直接法、叠加法和简化方法三种，其中简化方法( 即“名义应力法”) 为常用方法，本文将重点研究名义应力法和热点应力法。 2 5 1 名义应力法 2 5 1 1 船体梁弯矩引起的应力 装载工况“( k ) 的载荷实例“i 1 和“i 2 中的船体梁的热点应力， 应按下式求得： 仃g ，f ，( ) = k 劝木( c w ，驴木盯孵+ c 附， ，宰仃附，( t ) ) ( j = 1 ，2 ) ( 2 4 ) 式中：k 画一船体梁名义应力的几何应力集中系数； c 阿f l ，c 孵f 2 ，c 舾 f 1 ，c 唧f 2 一各载荷实例的载荷组合因数； o w v l ，仃，mo w h ，( i ) 一船体梁名义应力； 2 5 1 2 波浪压力引起的应力 装载工况“( k ) 的载荷实例“i 1 ”和“i 2 中的波浪压力造成的热点应 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 w 腓肌2 ( ，一孚粤) o l w ，( 女) 2 丙了上。 式中：p 缈州t ) 一装载工况“( k ) 的载荷实例“i l 和“i 2 ”中的水动压力， 当所考虑的构件位置高于水线时，水动压力应取为水线处压力； k 讲一侧向压力造成的压力的几何应力集中因数，具体数值详见规范； 始一扶强材几何形状造成的几何应力集中因数，具体数值详见规范； p 矿， ( t ) ，耽一装载工况“( k ) 的载荷实例“i l 和“i 2 中的水线处动压 力5 c 腮州。) 一装载工况“k 的载荷实例“i 中的波浪压力范围非线性修正 因数，具体数值详见规范。 2 5 1 3 液体压力引起的应力 装载工况“( k ) ”的载荷实例“i i ”和“i 2 ”中的液体压力造成的热点应 力，应按下式求得： c 胁扩f 一孚+ 譬) 仃眠m ) 2 1 石l 一幸1 0 3 ( j _ 1 ，2 ) ( 2 - 6 ) 式中：p b 州 一装载工况“( k ) 的载荷实例“i l ”和“i 2 中的惯性压力； c m f ( | ) 一装载工况“k ”的载荷实例“i l 和“i 2 中的惯性压载压力 非线性修正因数，具体数值详见规范。 2 5 1 4 干散货压力引起的应力 装载工况“( k ) 的载荷实例“i 1 ”和“i 2 中的干散货压力造成的热点 应力，应按下式求得： 1 2 盯州。、：兰兰二!：二：!：!12s(：二二6x：二16x=)lcw 拳，。，。j ：。，2 ，。2 7 ， 盯，u ( 女) 2 1 j 专了一1 u 。j 一1 z 。z 。7 p 口矿! ，( t ) 一装载工况“( k ) 的载荷实例“i l 和“i 2 中的由干散货造 成的惯性压力。 2 5 1 5 横舱壁相对位移造成的应力 装载工况“( k ) ”的载荷实例“i l 和“i 2 中，横舱壁与相邻横框架或 肋板之间的横向相对位移造成的附加热点应力，应按下式求得： fk 一。吨附) + 如一。( t d a 刮对于“口”点 ， ( 七) 21 岛一f ( 丁d f - f , i ( k ) - i - 玩一，t 狲) 对于y 点 ( j = 1 ，2 ) ( 2 - 8 ) 式中各参数具体含义及计算详见规范。 2 5 1 6 各种应力的合成 装载工况“( k ) 的载荷实例“i 中的动态载荷造成的热点应力予臣围应 按下式求得： a o w j ( t ) = i ( 聊1 ( t ) + l 州i ) 一唧圳女) + 乃川t ) ) 一( 明2 ( t ) + 1 硝女) 一2 ，f 2 ( 七) + ，f 2 ( t ) ) i ( 2 9 ) 式中：仃g 矿，f 1 ( 女) ，盯g ，2 ( 女) 一船体梁弯矩造成的应力5 o w l , i l ( k ) 仃2 ，f 2 ( 的当压力在扶强材这侧施加时，静压吼矿，口( 矿盯衄矿， ( i ) 和盯掰矿，( t ) 造成的应力，视所计及的实例而定； 盯2 ，订( t ) ，仃2 ，2 ( ”一当压力在扶强材对侧施加时，静压吼矿，f ( 矿盯凹缈， ，( i ) 和仃比矿， ，( ) 造成的应力，视所计及的实例而定； 吼矽，l ( t ) ，o l 旷，f 2 ( i ) 一波浪压力造成的应力； 盯加矿f l ( k ) ，口加矿，f 2 ( ) 一液体压力造成的应力； 哈尔滨下程大学硕十学位论文 仃艏，f l ( ) ，盯比j 2 ( ) 干散货压力造成的压力； f 1 ( t ) ，c r d ，f 2 ( 女) 一横舱壁相对位移造成的应力； 因为对于四种装载工况中每一种都有四个载荷实例与之对应( h 、f 、p 和r ) ，这样对结构任一热点位置每一种装载工况下可得到四组热点应力范 围。按照规范的规定，在这四组中选取最大的一个作为此装载工况下的热点 应力范围，与此对应的工况则称为主要载荷实例，用大写字母“i 来表示。 相应的有： a o - w “女) = m a x a o - w “e ) ( 2 1 0 ) 2 5 2 热点应力法 2 5 2 1 有限元模型的建立 1 ) 模型范围：1 + 1 + 1 三舱段模型( 沿纵向包括三个货舱四个舱壁) ； 2 ) 模型采用了净尺度的概念，各构件应按规范规定扣除腐蚀余量； 3 ) 精细网格：形状：四边形单元； 尺寸：边长等于净厚度，且单元细长比尽量接近于l ； 区域：热点位置向外所有方向，至少1 4 肋骨间距； 4 ) 过渡区域：一般不超过三个肋骨间距； 该区域内所有构件( 包括骨材的腹板、翼板、肘板等) 都 采用板单元建模，过渡区域的边界最好落在强档上。 图2 2 散货船有限元模型 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 2 2 热点应力的提取 式 由 2 2 1 ) 热点位置：两板的中心线相交处，不考虑焊址； 2 ) 插值方式：通过相邻两单元的一次线性外插得到热点应力，包括板与 板交接和板与肘板交接两种情况( 见下图) ； 3 ) 提取的应力：与热点焊缝尽可能垂直的一个主应力。为了考虑实际热 i 卜t 丁引。笊峄：。 # i l 一，、 一呻 i 小i l 厂_ 一1 - ，_ 一 | - o j 一扣一。一 i 纠 b 掣 、嘲 i 5 t l o 1 1 ) 两板联接接2 ) 板与肘板交接 图2 3 热点应力的插值形式 ；2 3 应力的合成 热点应力由直接计算得到，热点的应力范围， a a w f ( t ) = 1 f 1 ( i ) 一唧，f 2 ( ) i ( 2 1 1 ) 钆o - w ，f l ( t ) ，唧f 2 ( t ) 一装载工况k 时载荷实例订和i 2 对应的热点应力。其 f 标i 对应h 、f 、p 和r 载荷实例，它们由直接计算得到。 6 平均应力的计算 ；1 名义应力法 1 5 哈尔滨工程大学硕士学1 1 f ) ：论文 平均应力定义为： 盯e 棚，( t ) 2o g s ，( t ) + 仃s l ，( 女) 一o s 2 ，( t ) + ，( t ) 式中：仃回肚) 一船体梁静水弯矩引起的应力， 。n ) 一当压力在扶强材这侧施加时， 起的应力，视所计及的实例而定； 盯s ：斯) 一当压力在扶强材对侧施加时， 起的应力，视所计及的实例而定； ( 2 - 1 2 ) 计算公式详见规范； 静压盯岱，( i ) 、仃l 嬲，( t ) 、仃工岱，( 女) 7 1 静压盯岱，( t ) 、o l b s ，( ) 、盯l ，( i ) 7 1 盯酷艘) 一水静压力造成