（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于csr疲劳寿命要求的油船结构节点设计改进.pdf

大连理工大学硕士学位论文摘要国际船级社协会为了满足工业、航运界对“坚固、耐用”船舶的需求制定了散货船和双壳油船结构共同规范，并于2 0 0 6 年4 月1 日起开始实施。双壳油船结构共同规范( c s r ) 由英国劳氏船级社( l r ) 、美国船级社( a b s ) 和挪威船级社( d n v ) 联合制定。新规范引入了当今最前沿的设计理念，广泛采用了最新科研成果，而疲劳寿命评估是新规范统一了各船级社规范对疲劳的计算标准，因此，疲劳寿命评估的研究意义重大。以c s r 规范和疲劳强度理论为基础，深入探讨了新规范中关于疲劳评估的方法，针对目标船结构的典型节点进行疲劳强度的校核。船体结构累积疲劳损伤的计算是基于s - n 曲线和m i n e r 线性累积损伤原理，而疲劳评估简化方法的基础就是把结构应力范围的长期分布假定为w b i b u l l 分布应力范围的合成；该方法的主要内容有：波浪诱导载荷计算；各个应力分量范围的计算；应力范围的合成；疲劳累积损伤度的计算。以目标船型2 6 0 0 0 吨双壳油船作为研究对象，采用名义应力法对其进行疲劳评估计算，对本船的舷侧、船底以及舷侧和船底连接等区域的关键节点进行分析设计，优化节点的设计质量，降低高应力，改善应力集中，以增加船体结构的抗疲劳性能。并且在计算分析的基础上进行节点形式的改进比较，经过一系列的计算论证，提出了具体的节点形式的尺寸，同时提出了采用软趾和背面软肘板的节点形式在抗疲劳性能方面的积极意义。最后，对本文的研究结果进行了总结，并对船舶抗疲劳性能设计研究给出了一些具有参考价值的结论和建议。并展望了以后在节点形式方面研究方向和工作内容。关键词：双壳油船结构共同规范；典型节点；名义应力法；抗疲劳性能；疲劳寿命基于c s r 疲劳寿命要求的油船结构节点设汁改进o i lt a n k e rs t r u c t u r en o d ed e s i g ni m p r o v e m e n tb a s e do nc s rf a t i g u el i f er e q u i r e m e n ta b s t r a c tt h ec o m m o ns t r u c t u r a lr u l e sh a v eb e e nd e v e l o p e di nr e s p o n s et oac o n s i s t e n ta n dp e r s i s t e n tc a l lf r o mi n d u s t r yf o ra l li n c r e a s e ds t a n d a r do fs t r u c t u r a ls a f e t y ，w h i c hh a v eb e e ne n t e r e di n t of o r c es i n c e1 s ta p r i l ，2 0 0 6 t h er u l e sf o rd o u b l eh u l lo i lt a n k e r sw e r ei o i n t l yd e v e l o p e db yl l o y d sr e g i s t e r ( l r ) ，a m e r i c a nb u r e a uo fs h i p p i n g ( a b s ) a n dd e tn o r s k ev e r i t a s ( d n v ) t h en e wr u l e sh a v ei n t r o d u c e dn o wt h em o s tf o r w a r dd e s i g ni d e a ，w i d e l yh a su s e dt h en e w e s ta c h i e v e m e n t si n s c i e n t i f i cr e s e a r c h ，j nw h i c hf a t i g u e1 i r ea p p r a i s a li st h eu n i f i e ds t a n d a r do ff a t i g u ea n a l y s i s t h e r e f o r e ，f a t i g u el i f ea p p r a i s a lr e s e a r c hi so fi m p o r t a n c e b a s e do nc s rc r i t e r i aa n dt h ef a t i g u es t r e n g t ht h e o r y , t h ep a p e rm a k e sat h o r o u 【g hs t u d yo nt h ef a t i g u ea s s e s s m e n tm e t h o di nt h en e ws t a n d a r da n dc h e c k st h ef a t i g u es t r e n g t ho ft y p i c a lj o i n t si nt h et a n k e rs t r u c t u r e s t h ea c c u m u l a t e df a t i g u ed a m a g ei sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt os - nc u r v ea n dm i n e r1 i n e a rc u m u l a t i v ed a m a g et h e o r y ；a n dt h e1 0 n g - t e r md i s t r i b u t i o no ft h es t r u c t u r a ls t r e s sr a n g ei sa s s u m e dt h ec o m p o s i t i o no fw e i b u l lf o r c er a n g e s t h i sm e t h o dm a i n l yi n c l u d e st h ec a l c u l a t i o no fw a v e i n d u c e dl o a d sa n dt h er a n g eo fe a c hs t r e s sc o m p o n e n t t h ec o m p o s i t i o no fs t r e s sr a n g ea n dt h ea n a l y s i so ff a t i g u ea c c u m u l a t i n gd a m a g e t h eo b j e c to ft h i sr e s e a r c hi st h e2 6 0 0 0 td o u b l eh u l lo i lt a n k ，w h o s ef a t i g u el i f ea p p r a i s a li sa n a l y z e db yn o m i n a ls t r e s sm e t h o d 。b ya n a l y s i sa n da r r a n g e m e n to nt h ef a c t o r sa n dp o s i t i o n so ft h ef a t i g u ec r a c kf r o ma l lk i n d so fs h i p s ，t h ek e yj o i n t so ft h es i d es h e l l ，t h es h i pb o t t o m a n dt h e i rc o n n e c t i o na r ea n a l y z e da n dd e s i g n e d ，a n dt h ej o i n td e s i g ni so p t i m i z e dt or e d u c et h eh i g hs t r e s sa n di m p r o v et h es t r e s sc o n c e n t r a t i o n ，s ot h a ta n t i f a t i g u ep e r f o r m a n c eo ft h eh u l lw i l lb eb e t t e r a l s o ，t h ej o i n tf o r ma r ei m p r o v e da n dc o m p a r e db a s e d0 1 1c a l c u l a t i o na n a l y s i s t h eb e s ts i z e si nd i f f e r e n tr e g i o n sa r eg i v e no u tr e s p e c t i v e l yi nc o n s i d e r i n gd e s i g nc o d ef o rt h ep u r p o s eo fs a v i n gm a t e r i a l s ，a n dt h ej o i n tf o r mo fs o f tt o ea n db a c ks o f tb r a c k e tp l a t eh a v ep o s i t i v es i g n i f i c a n c eo fa n t i f a t i g u ep e r f o r m a n c e f i n a l l y ，b a s e do nt h es u m m a r yo ft h i sr e s e a r c h ，s o m ev a l u a b l ec o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n st od e s i g na n dr e s e a r c ha r ep u tf o r w a r d 1 1 1 ep r o s p e c t so fr e s e a r c hd i r e c t i o i la n dw o r k i n gc o n t e n t sa r ea l s od i s c u s s e d k e yw o r d s ：c o m m o ns t r u c t u r er u l e sf o rd o u b l eh u l lo i lt a n k e r s ；t y p i c a ln o d e ；n o m i n a ls t r e s sm e t h o d ；f a t i g u er e s i s t a n c ee n e r g y ；f a t i g u e 1 i f en独创性说明作者签名：日期：研究工方外，大连理的同志的地得作行的获工孰断黼燧舡抵下致含一n导和包我紊指注不与耔孵标也。辩导以，料死在加果材雕入别成的孙个特琉过蒯我中研佣哪是文的使了文了写所做论除撰书叫位，或证文学知表或淦士所发位茁硕我经学b本尽已的均：t一6一m|吼暴从靴拣声成其他的莺究含其做郑研包者昕者得不或觅作取中学研及文大本作论工对基于c s r 疲劳寿命要求的油船结构节点设计改进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”，同意人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。本人授权大连堙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。名：壶丝导师签名：年上月丛日大连理工大学硕士学位论文1 绪论1 1 研究疲劳的理论意义和应用价值疲劳破坏是船舶与海洋工程结构破坏的主要模式之一，也是这些结构失效的主要原因之一。关于疲劳的准确定义，文献使用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，且在足够多的扰动之后形成裂纹或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。比较通俗一些的说法是一般材料力学及疲劳强度教材上给出的定义：结构的构件或机械、仪表的零部件在交变应力作用下发生的失效，称为疲劳失效，简称疲劳。对零件、构件或工程系统利用各种力学和数学方法分析评价其抵抗疲劳失效的能力，称为疲劳评估。多年来，船舶结构的疲劳断裂问题一直是造船界所关注的课题。但是，对于船舶结构疲劳破坏问题的真正重视是于7 0 年代末才开始的，当时，j o r d a n 和c o c h r a n 啦儿朝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查，发现了不少裂纹。他们的调研结论证实了疲劳破坏在船舶破损中的重要性。1 9 9 0 年美国海岸警卫队( u s c g ) 公布他们从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 e 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嘲瞄】【6 】。对于结构中出现的疲劳裂纹，需要及时进行修补，否则裂纹扩展到一定程度将导致船舶结构的灾难性破坏。但是，一般来讲，对船舶结构疲劳裂纹的检测和维修都要耗费大量的财力和物力。因此，各个船级社都意识到必须把疲劳强度校核加入其设计规范中，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。所以，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( d n v ) 、美国船级社( a b s ) 、德国劳氏船级社( g l ) 、英国劳氏船级社( l 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”。近年来，大型船舶的疲劳问题越来越受到船厂、各国船级社以及船舶科研人员的广泛关注。2 0 0 6 年国际船级社协会( i a c s ) 为了在国际航运界刨造一个公平的市场，保证海上安全，防止污染，保护海洋环境，制定了“散货船结构共同规范( j b p ) 和“油轮结构共同规范( c s r ) ，统一i a c s 内部的油船、散货船建造标准。新规范的实施对我国船舶工业来说机遇与挑战并存，形势要求我们尽可能多地掌握基于c s r 疲劳寿命要求的油船结构节点设计改进共同规范的技术要领和参数。新规范引入了当今最前沿的设计理念，广泛应采用了最新科研成果，而疲劳寿命评估是新规范统一了各船级社规范对疲劳的计算标准。当前形势下，疲劳寿命评估的研究意义重大。1 2 关于船体结构疲劳强度船舶在海上航行时，船体结构所受到的波浪力及运动产生的各种惯性力都是不断变化的动载荷，它们在船体结构内部产生交变应力。这种交变应力的长期作用造成的疲劳失效是船舶结构破坏的主要模式之一h ，。尽管人类对于船舶的使用已有数千年的历史，但是对于影响船舶强度与安全性的因素并未完全掌握，船舶的破损事故仍不断发生。特别是由于船舶结构疲劳强度不足引起的破损和沉没事故更为严重。英国劳氏船级社报道了从1 9 8 0 年到1 9 9 6 年间，有1 8 6 艘散货船在海上失事，有1 2 7 8 人丧生。通过分析，认为一个重要的原因可能是舱内肋骨与上下翼舱连接处的疲劳强度不足；近年来，浮式生产储油船( f p s o ) 已广泛应用于海洋石油开发领域，其工作的特点决定对其进行进坞检验和修理的费用相当昂贵，加之其工作环境又十分恶劣，所以疲劳问题就显得尤为重要呻1 。第七届国际船舶结构力学会议( i s s c ) 文集阳1 指出，对于大船，疲劳破坏仍然是最主要的问题。最早对疲劳强度重视，把疲劳强度校核方法列入船舶设计规范的是g l 。随后其他各主要船级社，d n v 、a b s 、b v 、k r 、l r 等也分别建立各自的疲劳强度校核方法。国际船级社协会( i a c s ) 还专门成立了特设工作组，旨在建立一个统一的疲劳强度评估流程。国内近些年也开始重视船舶结构疲劳强度的研究。中国船级社编制了船体结构疲劳强度指南，并且在其开发的计算机软件“海虹之彩”中也包含有疲劳强度校核的模块。国内一些院校，如哈尔滨工程大学、上海交通大学、大连理工大学、华中科技大学等院校都有人从事船舶结构疲劳强度的研究工作。1 3 船体结构疲劳强度校核的研究现状九十年代初的海损事故，引起了国内外对船舶结构疲劳强度的重视，形成了研究的热点。p f r i s h a n s e n ，s r w i n t e r s r c i n 等人用谱分析和有限元法对一油轮的舷侧纵骨上的危险节点进行了疲劳损伤的研究n 0 1 ；w 6 l f g a n gf f i c k e ，h a n sp a e t z o l d 等人研究了船舶构件上小开口的热点应力集中系数n ，讨论了受力状态以及局部几何形状对应力集中系数的影响；2 0 0 3 年召开的第1 5 届国际结构力学会议提供了大量的关于疲劳和断裂的文献n 习【1 3 】【1 4 】。研究的热点大多集中在运用s - n 曲线法以及有限元法进行疲劳强度评估上。英国劳氏船级社在直接计算方法的基础上开发了s h i p r i g h t 系统n 耵。最近几年，船舶疲劳强度问题开始引起国内造船界的重视，并逐步开展了这方面的2大连理工大学硕士学位论文研究工作。上海交大的杨文华等采用数值分析与解析相结合的混合法对大型散货船结构节点疲劳寿命进行了分析计算n 旬：沪东造船厂的杜忠仁提出了双底双壳油船结构节点设计的一些改进n7 1 ：2 0 0 4 年武汉船检所的余远明对化学品船槽形舱壁节点形式进行了研究n 船；中国船舶科学研究中心的崔维成对s n 曲线法使用的疲劳应力w e i 丽l l 长期分布形状参数进行了较为细致地研究u 钔。1 4 易发生疲劳损伤的典型节点对油船而言，最易发生疲劳损伤的部位和结构是舷侧纵骨和甲板纵骨，疲劳损伤主要发生在结构几何尺寸不连续和有焊接节点的部位，如图1 1 所示部位( 加圆圈部位即为疲劳损伤典型部位) 测。图1 1 油船典型疲劳损伤节点f i g u r e l 1o i lt a n k e rt y p i c a lf a t i g u en o d e对于小型油船，常见的疲劳损伤典型部位有：( 1 ) 横剖面：横向构件与内底板和纵向舱壁之间的连接焊处；( 2 ) 垂直槽形横舱壁：舱壁波纹与内底板的连接：舱壁波纹与甲板的连接；甲板纵向部件与横舱壁的连接；( 3 ) 水平槽形横舱壁：舱壁波纹与纵向舱壁和舱内侧板的连接。对于苏伊士型以下的大油船( 货油舱没有纵向舱壁) ，常见的疲劳损伤典型部位有：( 1 ) 横剖面：内底板与斜坡板的连接；内壳与斜坡板的连接；( 2 ) 垂直波纹横舱壁：底墩与内底板的连接；底墩与甲板的连接；垂直波纹与墩部3基于c s r 疲劳寿命要求的油船结构节点设计改进连接处：( 3 ) 平板横舱壁：垂直加强材与内底板、水平朽的连接；水平析和边析的连接。对于v l c c 和u l c c ( 货油舱有纵向舱壁) ，常见的疲劳损伤典型部位有：( 1 ) 中横剖酊内底板与斜坡板之间的连接：内壳与斜坡板的连接；迈舱与内底板连接；侧纵材与侧肋骨的连接；( 2 ) 横舱壁：水平板与纵向舱壁的连接：垂直加强材与水平板和内底板的连接；底部纵向构件与横舱壁底部的连接。1 5 论文的主要研究内容在本文中，以c s r 规范和疲劳理论为基础，深入探讨了新规范中关于疲劳评估的方法，并且以一条2 6 0 0 0 吨双壳油船为例，采用名义应力法对其进行疲劳评估计算，并且在计算分析的基础上进行节点形式的改进比较，以期达到熟悉验证新规范及对船舶设计者在进行实船设计时关于节点的抗疲劳性有参考意义。首先，对疲劳理论的基础知识进行了一下阐述，主要说明了评估的方法，对s _ n 曲线进行了详细介绍，对需要校核疲劳的部位进行了说明。其次，本文分析了疲劳破坏特点、疲劳产生的主要诱因、影响疲劳强度和疲劳寿命的因数，研究了c s r 规范中关于名义应力法疲劳计算的详细方法和步骤，给出了根据规范的相关参数的选取和修正。再次，以2 6 0 0 0 吨双壳油船为例，采用前述的名义应力法对其进行疲劳研究，分别对油船的舷侧、船底以及舷侧和船底连接等区域的节点形式进行了疲劳计算及分析比较，通过一系列的推算，给出了抗疲劳性能较高的节点形式及具体尺寸。最后，对本文的研究结果进行了总结，并对船舶抗疲劳性能设计研究给出了一些具有参考价值的结论和建议。并展望了以后在节点形式方面研究方向和工作内容。4大连理工大学硕士学位论文2c s r 结构疲劳强度校核方法2 1c s r 规范的作用根据c s r 规范乜，疲劳强度计算分为两种方法，即名义应力法和热点应力法。它们根据结构不同特点应用于船中和首尾区域的两类构件。名义应力法主要应用于纵向构件，即纵向扶强材与横舱壁以及强肋骨之间的端部节点，这里强肋骨是指位于液货舱范围内的舱底、内底、舷侧、内壳、纵舱壁和强力甲板的强肋骨；热点应力法应用于位于船中的内底与边舱斜板相交的折角部位。同以往船体结构疲劳评估相同，这两种方法都使用了s - n 曲线法，即它们是以p m n i e r 线性累积损伤准则和基于一定应力范围类型的s - n 曲线为基础的。对于各船级社来说，采用c s r 的根本目的在于：( 1 ) 为了保证船舶结构安全评估能够在真正维护船舶安全标准的前提下进行，减小各船级社之间由于市场激烈竞争需要而引起降低油船规范标准要求的潜在危险；( 2 ) 可以综合利用各船级社的经验，统一各船级社的船舶入级规范标准；同时，可以确保各船级社在同一时间、同一条件、同一要求和同一范围内执行国际最新的规则和标准；( 3 ) 由于目前同型的船舶可能入级不同的船级社，因此油船共同结构规范可以减小因各船级社要求不同而重新进行船舶结构评估和处理的费用；( 4 ) 便于在i m o 要求的高度，确保船东、船厂以及各国工业标准在使用上的一致性。各船级社的规范发展到今天，主要有两类各有技术特点的结构规范，即一类是传统经验型规范( 如l r 、c c s 规范等) ；另一类是理论性规范( 如d n v 规范等) 所有船级社的规范都是经过多年的发展、积累和合理修正，都包含了实践经验的内容，这些经验是必须继承和发展的c s r 的建立将：( 1 ) 为各标准的特殊要求在油船结构规范中的进一步应用和发展提供一个共同的平台；( 2 ) 保证各规范标准的一致性，并提高规范研究的方法和范围的透明度，减少各船级社规范的“黑箱”操作；( 3 ) 在内容的一致性和逻辑性上更加完善，有助于简化规范的升级和维护，特别是可以在规范格式和应用标准方面与目前最新的设计过程保持一致；( 4 ) 为各船级社间严格而紧密的技术合作打下基础；( 5 ) 由于避免了规范标准方何的恶性竞争，从而保证新规范能最大限度应用最新5基于c s r 疲劳寿命要求的油船结构节点设计改进技术和统一标准。2 2s n 曲线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n ，则称该结构在应力范围水平为s 时的疲劳寿命为n ，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：s m n = k( 2 1 )式中：s应力范围，n m m 2n应力范围s 下的失效循环次数m常数，依靠材料和焊接类型、加载类型、几何图形和环境条件( 空气或海水)k常数，依靠材料和焊接类型、加载类型、几何图形和环境条件( 空气或海水)对上式等号两边取对数，得l g n = l g k 一槐1 9 s( 2 2 )这就是常用的s - n 曲线的双对数线性模型，在l g n l g s 标系中，它是一条直线。一般说来，在给定的应力范围s 下，参数m 的离散性不大，可看作是确定的值，而疲劳寿命n 和参数k 则应当作为随机变量处理，通常认为n 服从对数正态分布。由于n 服从对数正态分布，也就是l g n 服从正态分布，则由式( 2 2 ) 中l g k 和l g n 的关系可知，l g k 也是正态分布随机变量。在引入存活率的概念后，s 和n 的关系可用对应于一定存活率的p s - n 曲线来表示。给出有关的结果，其表达式为：1 9 n = i g k p 一聊i g s( 2 3 )式中，l g k 。再表示存活率为p 时i g k 的值。因l g k 为正态分布，可转换为标准正态分布，则l g k p 的估计值可表示为：l g 砗= l g k + r( 2 4 )式中，l gk 和k 分别为l gk 的均值和标准差，为标准正态分量。在船舶与海洋工程结构中，对一般构件常取存活率为p = 9 7 7 2 ，相应的甜，一2 o ，这时p s - n 曲线为1 9 n = l g k 一2 s l g r m l g s( 2 5 )如果s 和n 的关系在形式上仍用式( 2 4 ) 表示，则此时k 的值由下式决定：k k = l g k 一2 s l g r( 2 6 )影响s - n 曲线的因素很多，其中包括：6大连理工人学硕士学位论文( 1 ) 材料本身的特性，如屈服强度、破断强度、材料韧性等；( 2 ) 典型节点的结构型式，如无加强的开口边缘、有围壁加强的孔口边缘、焊接节点等：( 3 ) 结构的制造工艺及质量，如切割、焊接引起的残余应力和变形。严格来说，这三个因素的影响程度随制造工艺水平的不同而不同，针对每一具体情况通过试验确定相应的s - n 曲线。但是这样做既需要花费大量的财力，又需要花费的时间，因此绝大部分船级社都选用已有的试验成果，最多作少量的验证性试验，是否要作适当的修改。这样做主要基于如下四个理由：( 1 ) 钢材的生产质量已达到了较高的程度，且屈服强度对疲劳强度的影响并不显著；( 2 ) 典型节点结构型式的不同可以在疲劳强度校核过程中加以考虑：( 3 ) 制造工艺及质量的差别随着生产自动化程度的提高而逐渐缩小，特别是国际质量认证体系的执行，使这一影响因素也可以得到控制；( 4 ) 疲劳强度校核中的不确定源很多，如外载荷的计算、疲劳应力的计算、疲劳寿命的计算，均存在着很大的不确定性。与这些不确定性相比，曲线s _ n 中的误差并不是最主要的矛盾乜2 m 钔。在船舶工程和航海实践中常用的s - n 曲线主要是由各国船级社制定的规则、规范或其它指导性文件中提供的，这些曲线都是p s - n 曲线，又称为设计s - n 曲线。此规范使用了英国能源部( u l n e ) 推荐的s - n 曲线，适用于一般焊接节点。根据所讨论构件的不同几何位置( 有平面的、焊接连接的和结构构件等) ，不同波动应力( 单向拉压和弯曲等) 及构件的加工方法和检查情况，s - n 曲线分为b 、c 、d 、e 、f 、f 2 、g 和w曲线，每条曲线各自代表一种焊接形式，表2 1 给出了8 条曲线的参数值。7基于c s r 疲劳寿命要求的油船结构节点设计改进表2 1 基本s n 曲线参数t a b 2 1b a s i cs - nc u r v ed a t a等级k 1m标准偏差k 2s q- n r a m 2t o g l 0l o g el o g l 0l o g eb2 3 4 3 e 1 51 5 3 6 9 73 5 3 9 0 04 0o 1 8 2 10 4 1 9 41 0 e 1 51 0 0 2c1 0 8 2 e 1 41 4 0 3 4 23 2 3 1 5 33 50 2 0 4 10 4 7 0 04 2 3 e 1 37 8 2d3 9 8 8 e 1 21 2 6 0 0 72 9 0 1 4 43 o0 2 0 9 50 4 8 2 41 5 2 e 1 25 3 4e3 2 8 9 e 1 21 2 5 1 6 92 8 8 2 1 63 00 2 5 90 5 7 7 71 0 4 e 1 24 7 0f1 7 2 6 e 1 21 2 2 3 7 02 8 1 7 7 03 oo 2 1 8 30 5 0 2 70 6 3 e 1 23 9 8e1 2 3 1 e 1 21 2 0 9 0 02 7 8 3 8 73 00 2 2 7 90 5 2 4 80 4 3 e 1 23 5 0g0 5 6 6 e 1 21 1 7 5 2 52 7 0 6 1 43 o0 1 7 9 30 4 1 2 90 2 5 e 1 22 9 2w0 3 6 8 e 1 21 1 5 6 6 22 6 6 3 2 43 00 1 8 4 60 4 2 5 10 1 6 e 1 22 5 22 3 疲劳累积损伤船舶所受的载荷是随机载荷，在其一生中，每一应力水平都对其疲劳损伤有贡献，累积损伤规律是估算变幅载荷作用下结构疲劳寿命的基础。在几十年的研究中，人们提出了数十种累积损伤的假设，但工程中最常用p a l m g r e n m i n e r 线性累积损伤准则( 简称m i n e r 准则) ，船体结构疲劳强度校核也大都使用这一准则。按照m i n e r 准则，结构在多级恒幅交变应力作用下总的疲劳损伤度d ，是各应力范围水平下的损伤度口之和。某一应力范围水平下的损伤度口等于该应力范围的实际循环次数与结构在该应力范围单一作用下达到的破坏所需的循环次数m 之比。假设应力范围水平共有k 级，则d = 口= 号( 2 7 )线性累积损伤理论认为，当累积损伤度d 1 时，结构即发生疲劳破坏。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：。= 旒等铲= 了静汜8 ，i ( s )0岱)“j ( s )一其中，s 表示应力范围，石( s ) 是应力范围分布的概率密度函数，n ( s ) 是应力范围为s 的单一循环载荷作用下达到破坏所需的循环次数，。是所考虑的整个事件间隔内大连理工大学硕士学位论文应力范围的总循环次数，d n = r f s ( s ) d s 是落在区间 s ，s + d s 内的应力范围循环次数。2 4 应力范围长期w e i b u l l 分布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j 磕进行疲劳评估时，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间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。在船舶与海洋工程结构疲劳分析中，经常用两参数的w e i b u l l 分布表示应力范围s期分布，当确定了w e i b u l l 分布的两个参数时，这种假定使疲劳寿命计算能够得到一个闭式解。f ( s ，2 妄印f - le x p c 一旁c z ”式中：s应力范围，n m m 2孝w e i b u l l 概率分布参数z比例参数：且( 1 n ) 虮与l 超越概率水平对应的循环次数s 。超越概率1 n r 水平对应的应力范围值，n m m 2w e i b u l l 概率分布参数孝一般是根据结构所处的海洋环境、结构类型、响应特性以及构件在整个结构中的位置等因素确定的。对于每个有关结构细节，选择w e i b u l l 概率分布参数时，应适当考虑引起周期性应力的载荷类型。w e i b u l l 概率分布参数毒取值为：孝吒棚1 _ o 3 5 等)( 2 1 0 )式中：l 规范船长，丘m 与区域相关的修正因子，见表2 2 和图2 1 。型深d 是船中自型基线至最上层连续甲板的型甲板边线的垂直距离。有圆弧形舷缘的船舶，d 应量至型甲板线的延长部分。9基于c s r 疲劳寿命要求的油船结构节点设计改进表2 2 厶阽删参数分布表t a b 2 2d i s t r i b u t i o nt a b l eo f p a r a m e t e r 氘寺棚板区域知l h h底板o 9 中间线处，舷侧处0 9 5舷侧和舭部1 1 吃水t i c 处，甲板处1 0甲板1 0内底1 0内壳1 1 向上至d 2 处，甲板处1 0内纵舱壁1 1 向上至d 2 处，甲板处1 0中纵舱壁1 1 向上至d 2 处，甲板处1 0注：中间值线性内插图2 1 厶曲埘参数分布图f i g 2 1d i s t r i b u t i o nf i g u r eo f p a r a m e t e rk q2 5c s r 需计算的结构部位2 5 1 纵向结构( 1 ) 应对货油舱区域内位于外底、内底、舷侧、内壳、纵舱壁和强力甲板的纵骨与横舱壁，包括制荡舱壁和强框架相交的端部节点，进行疲劳强度评估并提交；( 2 ) 应对货舱区域内位于强力甲板处的分段接头部位的扇形孔进行疲劳强度评估。1 0大连理工大学硕士学位论文2 5 2 横向结构应对靠近中部至少一道横框架处的内底与底边舱斜板之间的折角进行疲劳强度评估并提交。用于疲劳评估的总应力范围应从有限元细化网格分析中予以确定。基于c s r 疲劳寿命要求的油船结构节点设计改进3 名义应力方法结构名义应力是结构相关截面上计算出的平均应力，它不包括焊接接头结构细部处所产生的应力集中，但是船体结构的宏观几何形状( 例如大的开孔、切口等) 的影响必须包括在内。名义应力一般可由梁模型或粗网格有限元模型得到乜刖。进行疲劳评估时，所使用的s n 曲线必须与之对应。结构的形式是千差万别的，如果再考虑到焊接的影响，需要由试验来确定s - n 曲线的构件类别就更是数不胜数了。但做如此大量的试验是不现实也是不必要的，一般是将构件分组，对一组类似的构件选用一条s - n 曲线。既便如此，常用的s - n 曲线也有7 8 条之多，所以如何根据节点的实际情况准确选择s - n 曲线非常重要的。船舶疲劳设计规则经常把各式各样结构构件( 例如焊接节点、平板边缘等等) 分成不同的种类并且为每一种类提供以基于大量疲劳试验数据的平均值和下限值来量化的标准s - n 曲线。船体结构承受各种类型的载荷，包括：( 1 ) 静载荷，包括货物和空船重量：( 2 ) 波浪诱导载荷；( 3 ) 冲击载荷，如底部砰击、首外飘冲击和部分充装液舱的晃荡载荷；( 4 ) 主机和螺旋桨引起的激振力导致的周期性载荷；( 5 ) 瞬态载荷，如热载荷；( 与) 残余应力。疲劳累积损伤计算主要包括：( 1 ) 波浪诱导载荷计算：( 2 ) 各个应力范围分量的计算；( 3 ) 应力范围的合成；( 4 ) 疲劳累积损伤度的计算。3 1 波浪诱导载荷c s r 规范中规定波浪诱导载荷包括三个方面：船体梁载荷，外部波动压力和由船舶运动引起的舱内动压力i 其中梁载荷又包含船体垂直波浪弯矩和水平波浪弯矩。3 1 1 船体梁载荷波浪纵向弯曲是因波浪引起的附加浮力使油船船体在静水纵向弯曲的基础上，进一步发生的纵向弯曲，结果可能是加强了纵向弯曲程度，也可能是减弱了纵向弯曲程度。按照船体梁理论，油船受到垂直方向上向下的重力分布和向上浮力分布而达到静力平衡，由于重力和浮力分布的不对应产生了总纵静水弯矩和弯曲变形：置于波浪上的油船1 2大连理工大学硕士学位论文船体因为浮力分布的动态变化产生动态的总纵波浪弯矩，波浪分布的反复变化引起油船结构应力的反复变化，因此产生疲劳损伤。梁载荷包含船体垂直波浪弯矩和水平波浪弯矩，c s r 给出了中拱和中垂的垂向波浪弯矩包络值，计算公式如下_ i ，唱= z ，脚0 19 厶叫2 b c ：坂，唧= 厶0 ，11 工一瓯寥b ( c 6 + o 。7 )舱f p 图3 1 对于疲劳强度的垂直和水平波浪弯矩分布f i g 3 1v e r t i c a la n dh o r i z o n t a lw a v eb e n d i n gm o m e n td i s t r i b u t i o nf o rf a t i g u es t r e n g t h厶呻：垂向波浪弯矩沿船长方向的分布系数，应取：o o 尾垂线处o 1 离尾垂线o 1 l 处1 0 以尾垂线o 4 l 到0 6 5 l 之间。0 1 离尾垂线o 9 l 处0 0 首垂线处通过线性内插法获得中间值，参见图3 1 。舢6 ：应取0 5l ：规范船长，mc 波浪系数为：5 一等) ；，邹。工鲫。= 1 0 7 5 ，当3 0 0 三3 5 0( 3 1 )( 3 2 )( 3 3 )( 3 4 )基于c s r 疲劳寿命要求的油船结构节点设计改进- 1 0 7 5 ( 等) ；，鄞悯鲫。( 3 5 )b ：型宽，mg ：方形系数满载和压载工况下垂向波浪弯矩准幅值( 半范围值) 死，一唧= o 5 ( l m 唱一m 一螂)( 3 6 )水平波浪弯矩包络值m 一。由下式求得：m m2f o b ( 0 3 + j 蒜) k 氏v r 瓦c c 63 7 z 。沿船长方向的水平波浪弯矩的分布因数，应取：0 0 尾垂线处o 1 离尾垂线0 1 l 处1 0 在尾垂线o 4 l 到0 6 5 l 之间o 1 离尾垂线0 9 l 处0 0 首垂线处通过线性内插法获得中间值，参见图3 1无砌：应取0 5c ：波浪系数l ：规范船长，m正r ：特定装载工况下的吃水，mg ：方形系数满载和压载工况下水平波浪弯矩准幅值( 半范围值) ：m 聊小唧= o 5 ( m 一 一p 甜一m 。小刀曙)( 3 8 )3 1 2 外部波动压力船舶结构的局部动载荷包括波浪动压力、液舱动压力、上浪载荷和甲板动载荷等。对于疲劳强度计算载荷来说上浪载荷可以取为0 。这点在计算甲板纵骨疲劳损伤时可以体现出来。对于甲板纵骨来说，它只考虑整体梁载荷，而忽略了局部动压力。波动压力的包络值取以下之中的大者：e , - - 孑厶如陋+ 硒1 3 5 b 丽t o c , , i “2 c - z ) l y 。+ 万1 3 5 b 丽t o c 1 五 n m m 2 9 ，1 4大连理工大学硕士学位论文p 以脬舢办g 墼萨 7 + 引zl n ，m m ：。2 = 2 6 “川1 二渺再g 等c o 7 辨2 z 从。j n ，m 群五- o 2 5 力- 1 ) m 2 5 玩耐= 力c 4 1 y l p 舭苈玩耐在尾垂线之后；( 3 1 0 )( 3 1 1 )( 3 1 2 )( 3 1 3 )( 3 1 4 )对于疲劳强度，波浪动压力的幅值匕唧( 图3 2 ) 由下式求得：o 唧= ok n m 2 当z 之+ 或d 之间小者= 0 5 k n m 2 水线处= 足k n r n 2当z s + 或。之间大者( 3 ，1 5 )当位于水线和z - - - 7 工c 一破之间时，由线性内插法获得。1 5至i 厄蔓针i ll l厶基于c s r 疲劳寿命要求的油船结构节点设计改进式中：静水水线的波浪动压力压头为：= 嘞l o ，m：水线处的压力，静水线处取巴一撕，k n m 2足一：最大波浪动压力取暑和互的大者，k n m 2：特定装载工况的吃水，m刃：型深，m只：参见式3 9 ，k n m 2厶2 0 5f n l - p l 1 o力= 1 o在0 7 向后= 1 5在首垂线前力的中间值可以由线性插值法求得只：参见式3 1 0 ，k n m 2厶2 0 5z l - p 2 。1 0二= 1 oz ：垂向坐标，mi图3 2 海水动压力范围的横向分布图f i g 3 2t r a n s v e r s ed i s t r i b u t i o no f d y n a m i cw a v ep r e s s u r ea m p l i t u d e1 6人连理工大学硕士学位论文3 1 3 货舱动压力舱内货油和压载水对舱内底板、舷侧内板和纵横舱壁的动压力是由于液货与油船的相对变化的运动造成的惯性力，直接原因是油船的摇荡加速运动，因此舱内货油动压力的大小和分布不仅与货油的惯性矩有关，而且与货油动压力在油船上的作用位置有关，也就是与计算点的合成加速度有关。由于液舱垂向加速度引起的内部动压力己一，由下式求得：最。= p a y i z 0 - - z ik n m 2( 3 1 6 )式中：p ：液舱内液体的密度，t m 3 ，在计算疲劳强度时货舱内应不小于0 9 ，其他情况下应不小于1 0 2 5 ：风：垂向加速度，r n s 2 ，应取液舱重心位置处z ：载荷点的垂向坐标，m毛：参照点的垂向坐标，m由于液舱横向加速度引起的内部动压力由下式求得：岛，= p a l l - y ik n m 2( 3 1 7 )p ：液舱内液体的密度，t i m 3 ，在计算疲劳强度时货舱内应不小于0 9 ，其他情况下应不小于1 0 2 5 ；瓯：横向加速度，m s 2 ，应取液舱重心位置处z ：载荷点的横坐标，i nz o ：参照点的横坐标，m由于液舱纵向加速度引起的内部动压力岛砘g 由下式求得：名一h 暑= p a j n 譬i 一x fk n m 2( 3 1 8 )p ：液舱内液体的密度，t m 3 ，在计算疲劳强度时货舱内应不小于0 9 ，其他情况下应不小于1 0 2 5 ：q ：纵向加速度，m s 2 ，应取液舱重心位置处z ：载荷点的纵坐标，1 1 1磊：参照点的纵坐标，m( 1 ) 对于疲劳强度，在一个邻近舱室为空舱的舱壁上，液舱内部动压力幅值毛一唧可由下式求得：1 7基于c s r 疲劳寿命要求的油船结构节点设计改进# 。一唧= 工z 俨，+ 工f ，一。z 圪一，+ 无，f l 。g 无g z 。一l 。gk n m 2( 3 1 9 )式中：咒一，：液舱垂向加速度引起的内部动压力，k n m 2 ，参见3 1 6巴一，：液舱横向加速度引起的内部动压力，k n m 2 ，参见3 1 7譬：液舱纵向加速度引起的内部动压力，k n m 2 ，参见3 ，1 8厶一，：货舱损耗因子，不小于o 0 且不大于1 o：虹害叠货舱厶h 瞄i= 1 o压载舱( 3 2 0 )厶呐窖：货舱损耗因子，不小于o o 且不大于1 o：坠娑丝货舱二f l p l w h= 1 o压载舱( 3 2 1 )b r o i l ：益每丝，横摇高度向蝴：生鲤，纵摇高度9钿：取o 50 ：横摇角，t a d9 ：纵摇角，r a d：舱室顶部的货舱宽度，见图3 3 ，m，疗：舱室顶部的货舱长度，m而：参考点的纵坐标，取液舱顶部的长度方向的中点，m：参考点的横坐标，取液舱顶部的宽度方向的中点，参见图3 3 ，mz o ：参考点的垂向坐标，取液舱的最高点( 包括小的舱口) ，参见图3 3 ，m工：压力组合因子，见表3 1z ：压力组合因子，见表3 1兀譬：压力组合因数，见