（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于iacs散货船结构共同规范的疲劳强度与极限强度分析.pdf

哈尔滨f ：群人学硕十学位论文 摘要 疲劳强度和极限强度是衡量船舶与海洋工程结构安全性的重要指标，一 直是船舶与海洋工程领域研究的热点。但是各大船级社对船舶疲劳评估的规 定存在较大差异，对同一船舶根据不同的规范进行计算，所得的结果也有很 大的差异。2 0 0 6 年4 月1 日国际船级社协会散货船结构共同规范正式生 效，对疲劳评估的载荷、工况、有限元模型数据的提取和处理以及评估标准 做了强制规定，对船体构件的疲劳寿命和腐蚀裕量的要求也有了显著的提高。 近二十余年来，船舶结构的极限强度也已经引起了国内外造船界的注意。 很多船级社在规范中也加入了船体梁极限强度校核，散货船结构共同规范 规定，船长1 5 0 米及以上的船舶需作极限强度校核。 本文主要是对散货船结构共同规范的疲劳评估方法和船体梁极限强 度校核傲了研究，其主要内容如下： ，1 ) 论述了船舶结构疲劳评估设计波法的特点和评估过程，累积损伤度和 疲劳寿命的计算，设计波载荷控制参数及依据控制参数选择设计波的方法。 2 ) 对散货船结构共同规范规定的疲劳评估过程、载荷、工况和疲劳累积 损伤度的计算做了介绍，结合等效设计波原理对规范的疲劳评估理论背景做 了研究，阐明了规范选取浪向、波长和波高的原则。 3 ) 应用共同规范规定的方法进行了2 1 0 ，0 0 0 t 单舷侧散货船疲劳热点应 力分析和纵骨节点的疲劳简化方法计算，并与中国船级社的疲劳规范计算结 果做了对比。 4 ) 针对规范规定的增量一迭代法，应用国际船级社协会推荐的软件 m a r s 2 0 0 0 对2 1 0 ，0 0 0 t 散货船进行了船体梁极限强度校核，并与“一步法” 的计算结果进行了比较。 关键词：船舶结构；疲劳评估；有限元；共同规范；设计波法；极限强度 哈尔滨i ：稃人学硕十学能论文 a b s t r a c t f a t i g u ea n du l t i m a t es t r e n g t ha l r c ：i m p o r t a n tf a c t o r sf o rt h es a f e t yo fn a v a la n d o c e a ns t n l e t u r e i th a sb e e nav i t a lr e s e a r c hf i e l df o ral o n gt i m e b u tt h e r ea l f e m a n yd i f f e r e n c e si nt h ec l a s s i f i c a t i o ns o c i e t yr u l e s ，e v e l lf o rt h es a m es h i p ，t h e f a t i g u er e s u l t s 缸ed i f f e r e n ta c c o r d i n gt ot h e s er u l e s i a c sc o m m o ns t r u c t u r a l r u l e sf o rb u l kc a l l i c ：l 5 ( c s r ) h a sg o n ei n t oe f f e c ta t1 “a p r i l2 0 0 6 i ts p e c i f i e d t h el o a d , l o a d i n gc o n d i t i o n ，f em o d e la n dt h ef a t i g u e 粼m e n tc r i t e r i a t h e f a t i g u el i f ea n dc o r r o s i o na d d i t i o n so fs h i ps t r u c t u r ew e l ci n c r e a s e do b v i o u s l y t 五ch u l lg i r , lu l t i m a t es t r e n g t hh a sa t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no ft h ej n l e r n a t i o n a l s h i pb u i l d i n ga n do c e a ne n g i n e e r i n gf i e l d i nl e c , 2 n t 2 0y e a r s t h eh u l l g i r d u l t i m a t es t r e n g t hc h e c kh a sb e e na d d e dt ot h ec l a s s i f i c a t i o ns o c i e t yr u l e s t h e c s r r e q u i r e dt l m tt h eh u l lg i r du l t i m a t es 仃e n g t l as h o u l d b ed o n ef o rt h es l a i pe q u a l t 0o rg r c a t e rt h a n1 5 0 mi nl e n g t h 融p a p e ri sm a i n l ya b o u tt h ef a t i g u ea 鹞c s s m c n ta n du l t i m a t es t r e n g t h c h e c ko fs h i ps t r u c t u r ea c c o r d i n gt ot l a cc s r n em a i nc o n t e n t s 眦猫f o l l o w s ： 1 ) i n t r o d u c et h eb a s i cp r i n c i p l ea n da s s c s s m c n | p r o c e d u r eo fs h i ps t r u c t u r e f a t i g u cs t r e n g t hb a s e do nt h ec q u a ld e s i g nw a v ea p p r o a c h 、聊1 kd o m i n a n t l o a dp a r a m e t e ra n dt h e s e l e c t i o no fd c s i g nr e a v ei nt e r m so fd o m i n a n t1 0 a d p a r a m e t e r sa l ed i s s e r t a t e d 2 ) t h ec s rf a t i g u ea s s c $ s m c n tp r o c e d u r e ，l o a d ，l o a d i n gc o n d i t i o na n d c u m u l a t i v e f a t i g u ed a m a g edw e i r c i n t r o d u c e di nt h e p a p e r t h et h e o r y b a c k g r o u n do ft h ec s rf a t i g u ea s s c s s m c n lw c l r cr e s e a r c h e db a s e do nt h ee q u a l d e s i g nw a v ca p p r o a c h 3 11 kh o ts p o ta n ds t i f f e n e rs t r e s sa s s e s s m e n lo f2 1 00 0 0 tb u l l 【c l l l l i e l rw e 坨 d o n ea c c o r d i n gt ot h ec s r a n dc o m p a r e dt ot h er e s u l to fc c sr u l e s 钔t h eh u l lg i r du l t i m a t es t r e n g t ho f2 1 00 0 0 tb u l kc a 力i c rw a sc h e c k e db y t h eu o fm a r s 2 0 0 0t h a tw a sr e c o m m e n d e d b yn c sb a s e do nt h e i n c r e m e n t a l i t e r a t i v ea p p r o a c h ，a n dc o m p a r e dt ot h er e s u l to fs i n g l es t e pm e t h o d i ( o yw o r d s ：s h i ps t r u c t u r e s ；f a t i g u ea s s e s s m e n t ；f e m ；c o m m o ns t r u c t u r a lr u l e s ( c s r ) ；d e s i g nw a v ea p p r o a c h ；u l t i m a t es t r e n g t h 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 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，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) ： 日期： 旁j 乏星 7 年，月7 日 哈尔滨i ：稃人学硕十学伊论文 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景及意义 在当今的世界，有超过8 0 的商品的运输是通过船舶来完成的。船级社 诞生至今，已有二百余年，不断进步发展，其在安全技术方面所做的贡献， 早已被各国政府、国际海事界所公认，在安全技术领域的权威性和公正性被 普遍认同。各国船级社对船舶结构的要求各不相同，但是又有很多的相似之 处。这给船舶的设计者、建造者、使用者和检验人员带来了不便之处。为了 减少船级社之间由于采用不同要求和标准引起的竞争，保证依照新规范建造 的船舶被工业界认可为和依照现行规范建造的船只起码同样安全有效，并满 足国际组织( 如i m o ，e l i 等) 当前和将来制定的海上安全和环境保护法规中 有关结构强度、统一性及透明度的要求，a b s ，l r ，d n v 在2 0 0 4 年6 月提出 了双壳油轮共同规范( j o i n tt a n k e rp r o j e c t ( j t p ) 第一稿，为船长1 5 0 m 以上的双壳油轮提供了新的设计和建造规范。c c s k r n l ( b v g l r i n a r s 在 2 0 0 4 年7 月提出了散货船共同规范j i o n tb u l k e rp r o j e c t ) ( j s p ) 。现在 国际船级社协会( i a c s ) 已经推广了这两个规范。 i a c sc s rj t p 1 3 】和 i a c s c s rj b p ) ) 1 1 】是国际船级社协会第一次在全球范围内推行统一规范，对造船界 的影响很大。 i a c s 共同规范是为满足航运业对更高质量船舶的需求，在国际航运界创 造一个公平市场而产生的，旨在造出更安全、更牢固的新船。随着散货船结 构共同规范计划的推进和最后方案的推出，一方面统一各船级社对散货船的 安全要求，另一方面散货船共同规范对船体强度提出了更高的标准。例如， 共同规范对结构的稳定性计算方法做了改进，增加了对船体极限强度和船体 构件疲劳强度的计算以及船体构件腐蚀余量的概念，使构件尺度有了一定的 增加，这一修改势必增加设计和建造的成本，一些造船大国认为原有的规范 哈尔滨l 。样人0 ：硕十学位论文 已经能够满足航行安全和海洋环境保护的要求，没有必要再提商标准。 在过去几年，我国已经建造了相当数量的性能优良的散货船，由国内自 主开发设计建造的灵便型、巴拿马型、好望角型散货船在设计水平上已与国 际接轨，具有国际先进水平，在散货船型的研究开发上具有坚实基础。散货 船是三大主流船型之一，共同规范的推行，既是挑战也是机遇，如果我们走 在别人前面，提前研究开发，抓住机遇，及时推出具有市场影响力的新型散 货船，对保持和扩大我国在散货船上的设计建造优势，对实现第一造船大国 的目标有十分重要的意义。 极限强度和疲劳强度是衡量船体结构的两项重要指标。疲劳破坏是船舶 与海洋工程结构破坏的主要模式之一。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。l a c sc s rj b p 的疲劳评估要求适用于船长 1 5 0 m 及以上，在北大西洋营运寿命为2 5 年的船舶，这与以前的规范相比， 要求有了明显的提高，原来各主要船级社的规定为2 0 年。本文旨在以疲劳评 估基本理论为基础，通过比较按n c s 共同规范与c c s 规范计算得到的2 1 万吨单舷侧散货船关键部位疲劳强度结果，探讨其理论背景，为今后的应用 打下良好的基础，同时对船舶的极限强度进行规范研究。 1 2 研究现状 1 2 1 船舶结构疲劳评估研究综述 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 卜r v ) t n 、美国船级社( a b s ) 1 3 5 】、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”1 5 l 。 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，载荷是用波浪载荷程 2 哈尔滨下程人学硕十学位论文 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。 虽然各个船级社分别建立了各自的疲劳强度校核方法，但是目前的很多 研究表明，按各个船级社提出的疲劳评估方法进行计算，具体的计算过程和 公式不同，结果可能会有很大的差异。这些情况表明，对于船体结构的疲劳 评估问题，目前的方法还不能完全令人满意，尚有许多问题值得进一步研究 探讨。但应该看到，基于谱分析的直接计算法的物理含义最为清晰，过程合 理。要想得到合理统一的疲劳评估方法，基于谱分析的赢接计算方法还是最 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。但是，采用基于谱分 析的疲劳评估直接计算法必须面对这样一个问题，即此方法工作量十分巨大， 且技术要求高，即使是各船级社，几乎也没有在其规范中提出基于谱分析的 疲劳评估直接计算法的完整解决方案。从减小工作量的角度出发，设计波法 是一种值得研究的方法，尽管设计波方法的提出已有一段时间，但是关于疲 劳评估设计波方法的研究文献还是相对比较少的【堋，所以对疲劳评估设计波 法进行研究是比较有意义的，特别是在工程上具有十分重要的意义 综上所述，就目前的情况而言，尽管已经有了一些船舶疲劳评估的方法， 但是由于疲劳强度评估是涉及船体载荷、结构应力分析、节点应力集中的处 理、s n 曲线的合理确定、疲劳累积损伤计算等众多方面的复杂问题。i a c s 共同规范得提出，旨在同一各船级社对船舶安全性得要求，对船舶疲劳强度评 估也是如此，在传承各船级社疲劳规范的基础上统一了船体载荷、结构应力分 析、节点应力集中得处理、s n 曲线得确定、疲劳累积损伤度计算等众多方 面的问题。 1 2 2i a c s 共同规范研究概述 ( i a c sc 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 s ) ) 于2 0 0 4 年7 月9 日提 出第一稿，适用于船长9 0 m 或以上且不大于3 5 0 m 的单舷侧和双舷侧散货船 哈尔滨l ：稃人学硕p 学位论文 的船体结构。2 0 0 6 年4 月1 日最终版正式生效，在这期间曾多次征求意见并 进行修改。c c s k r n k b v g i r i n a r s 针对第一版j b p 规范关于腐蚀 余量增加、设计载荷、载荷组合、装载工况、强度分析和标准对船体构件的 影响做了研列4 】，并对5 条单舷侧( s s s ) 和5 条双舷侧( d s s ) 散货船做了 局部构件计算、全船强度有限元分析、极限船体梁校核以及疲劳强度计算， 把所要求的全部钢材重量和船舶的实际空船重量做了比较，其中d 1 ，d 4 ，d 5 为双舷侧好望角型散货船，d 2 ，d 3 为双舷侧灵便型散货船，s 1 ，s 4 为单舷侧好 望角型散货船，s 2 ，s 5 为单舷侧巴拿马型散货船，s 3 为单舷侧灵便型散货 船。结果如下表1 1 所示： 表1 1 增加重量占空船重量的比值( ) r e f g i r d t r a n s t b h d p l a t i n g t o t a l n o 洲t r a n st b h do u t e ri n n e r d 1o 10 20 10 61 12 0 d 2o 30 70 33 22 46 8 d 3o 10 20 oo 31 42 2 d 40 1o o0 o0 71 22 o d 5o 2o 5o 2o 11 42 5 s 1o 31 5o 22 31 55 7 s 20 1o 61 o2 23 17 o s 3o 1o 4o o1 51 43 4 s 4 o 20 80 2 2 22 45 7 s 5o 1 o 2o 2 2 82 05 3 应当注意的是上述结果是基于几个前提条件得出的，例如1 ) 材料强度 与初步设计保持一致，2 ) 所有的结构安排几乎没有做优化，3 ) 船中部要求 的增加被应用到整个货舱长度( 船体梁强度) 。在多数情况下，局部构件重量 的增加大一些，大约占总增加重量的8 5 。直接强度分析引起的重量增加最 大，其次为船体梁极限强度校核，而疲劳强度分析造成的重量增加可以忽略 4 哈尔滨i 群人7 ：硕十号：忙论文 不计。对于符合i a c su r ( u n i f i e dr e q u i r e m e n t s ) $ 2 5 1 1 1 】的船舶，钢材重量增 加较小，约为2 2 5 ，不符合u r $ 2 5 的船舶，钢材重量增加约2 7 ， 或平均5 。 极限强度分析的核心是确定极限弯矩。船体梁横剖面在中拱和中垂工况 下的极限弯矩能力定义为弯矩能力m 与所计及横剖面曲率) c 对比曲线的最大 值。m - z 曲线通过增量一迭代程序或通过非线性有限元分析得出。 对装载评估、应力评估和疲劳强度评估也是很有必要的，评估结果也要 与迄今为止所取得的破坏趋势的经验相一致。根据1 9 8 5 年以后建造的7 6 条 s hv l c c 的破坏记录来研究疲劳裂纹破损的趋势发现，船舶舷侧纵骨的疲劳 破坏主要受由静水压力和沿船侧分布的外部波浪压力产生的结构平均应力的 影响。在货油舱内装载水线以下，舷侧纵骨的破坏频率要高。在压载舱内压 载水线以下，舷侧纵骨的破坏频率要高。从疲劳观点来讲，外部波浪压力是 船舶舷侧纵骨载荷的主要组成部分，外部波浪压力对货油舱和压载舱的影响 没有区别，在货油舱和压载舱内的破坏趋势的明显区别是由静水力引起的结 构平均应力不同造成的。由于装载工况改变引起的结构平均应力的改变在船 上有很大的相似之处，结构平均应力对疲劳强度影响很大，这已经由过去的 破坏经验证明。在散货船结构共同规范中，建议用适当合理的名义应力评估 程序。共同规范的评估结果与实际经验显示出很好的一致性，在设计新船时 能给出有效的结果。 按照i a c s2 0 0 5 版( j o i n tb u l kp r o j e c t i a c sc o m m o nr u l e sf o rb u l k c a n i e r s ( 简称j b p 规范) 的要求，采用3 舱段三维模型对2 1 00 0 0d w t 单壳 散货船船体结构的强度进行了有限元直接计算【1 2 l ( 用m s c p a t r a n 建立有限元 模型，以n a s t r a n 为解算器) 。该单壳散货船共有9 个舱，船中大约在n o5 、 n o6 舱之间的横舱壁处。为了考察该船船舯处深舱( n o5 ) 主要结构构件的强 度，取n o4 、n o5 和n o6 三个完整货舱的主要构件建立三维有限元模型， 按照j b p 规范的要求施加载荷及边界条件，进行了直接计算。依据j b p 规范 的流程，前部分的工作对2 1 00 0 0d w t 单壳散货船船体结构的屈服强度和主 5 哈尔滨l ：样人辱：硕十学位论文 要结构构件的板格屈曲强度进行了计算校核。另外，在上述模型的基础上， 对一些高应力区域的有限元网格进行了细化，对这些局部结构进行重新分析 和计算。 疲劳评估工作相对屈服和屈曲强度评估，装载状况多，载荷计算复杂； 结构模型规模大，要求精度高，计算量大。本船未做极限强度评估，相关内 容将在本文中完成。 从疲劳强度计算结果来看，在底边舱斜板与内地板连接区域疲劳累计损 伤度在最大弯矩计算与最大剪力计算中都未达到设计要求，同样底凳斜板与 内地板连接区域的疲劳亦未达到设计要求。这与规范中强调的疲劳强度危险 区域相一致，同时这些热点区域结构复杂，几何不连续引起的应力集中是一 个主要原因。 1 3 本文的主要工作 本文中需用的2 1 万吨单舷侧散货船有限元模型已经建立，可以依据新规 范做相应的修改后直接应用。课题的主要工作大致如下： 1 ) 研究讨论新规范及其技术背景和其他部门所做的研究，针对课题的 研究内容，重点阅读规范的第4 章一设计载荷、第5 章一船体梁强度、第7 章一强度直接计算和第8 章一结构细节疲劳校核，找出其与2 0 0 5 年4 月第二 稿的区别，主要为载荷和工况的增加和变化，修改有限元模型。 2 ) 疲劳评估的内容主要在规范的第7 、8 章，评估工作以规范为基本参 照，结合有限元软件的自身特点和以往多年的使用经验。规范所要求的结构 构件疲劳寿命为在北大西洋海况下航行使用2 5 年。疲劳强度评估仍采用净厚 度方法，结构模型的尺度为建造尺度减去o 5 倍的腐蚀余量。评估时根据规 范规定的构件及位置，选取中部货舱区8 个热点进行极细网格分析。 3 ) 应用m s c p a t r a n 二次开发工具p c l 语言，编写疲劳载荷的加载程 序。在做2 1 00 0 0d w t 单壳散货船船体结构强度有限元直接计算时，所有的 载荷均为人工添加，费时费力，而且容易出错。在本课题中将针对规范中规 6 哈尔滨l ：稃人导硕十学位论文 定的载荷计算方法实现自动加载，所编写的程序有一定的通用性，以后的同 类船舶做疲劳校核计算时只做很少的改动便可应用。 4 ) 计算结果的处理和分析。热点位置的应力分量可通过相邻单元的应 力分量插值来确定，插值采用两个单元与热点焊缝尽可能垂直的一个主应力 进行外插得到热点的应力。 5 ) 共同规范规定散货船的极限强度校核采用增量一迭代法计算船体梁 极限弯矩能力肘本课题采用i a c s 推荐的法国船级社( b v ) 提供的软件 m a r s 2 0 0 0 进行计算。最终版散货船结构共同规范去掉了非线性有限元法计算 m 对“一步法”也没有提出要求，本文将对船体中垂状态时采用一步法 计算，将所得结果与增量一迭代法进行比较。 6 ) 结合c c s 规范和l a c su r 对计算结果进行分析，找出新规范的变 化，对不满足规范要求的部位的修改提出建议 7 哈尔滨l ：稃人学硕十学位论文 第2 章疲劳评估的设计波法 2 1 概述 相对于船体结构疲劳分析的( 船级社) 简化方法，直接计算法能够更确切 地反映作用于船体上的波浪载荷特性。另外，由于直接计算法大多通过有限 元分析得到结构的应力响应，所以这类方法能够更好地反映结构的细节。目 前一般认为基于谱分析的疲劳评估直接计算法是比较精确的方法【埘，但是， 实践表明，基于谱分析的直接计算法，在计算应力响应时，需要对波浪谱有 效波浪频率范围的多个规则波和多个浪向角分别进行计算，因而计算工作量 相当大，给实际应用带来很大的不便。鉴于谱分析法计算工作量大的问题， 等效设计波法( 也称设计波法) 是值得考虑的方法。这种方法将简化方法中 采用的舱i b u l l 分布作为长期分布，其形状参数按近似公式或按谱分析结果 拟合得到，尺度参数由一个确定的规则波( 包括波高和周期) 中的船体结构应 力响应得到。所确定的规则波中的结构应力响应可采用有限元分析技术，因 此设计波法的优点在于，能够反映结构的细节，计算工作量又相对较小。i a c s 散货船结构共同规范的载荷就是基于等效设计波原理确定的。 2 2 设计波法的基本原理 2 2 1 设计波的概念 采用设计波法时，关键的问题是如何确定设计波的参数，使得按它计算 出来的船体应力范围能代表实际船体航行过程中一定超越概率水平的应力范 围。正确的途径是通过船体波浪载荷的长期分析，得到规定超越概率水平或 重现期的船体弯矩、扭矩等有代表性的控制参数值，然后选择典型的规则波， 使之产生与长期预报值相等的波浪载荷，由此来确定设计计算用的波浪参数。 目前，a b s 、d n v 、g l 等已在船舶直接计算中采用设计波法来对各种载荷分量 8 哈尔滨f ：稃人学硕十学位论文 进行组合，但在如何选择和确定装载工况与等价波高、波长和航向角时，各 船级社的做法是不完全相同的。 2 2 2 主要载荷参数 根据设计波原理，海浪和其诱导的船舶响应可以通过一个或几个主要的 载荷参数来反映。主要载荷参数指的是：载荷影响、船体运动以及局部动力 响应等，考虑以其中的最有影响的参数来建立用于船体结构分析的计算载荷。 b s 规范中考虑的主要载荷参数有：垂向波浪弯矩( v b m ) 、垂向波浪剪力 ( v s f ) 、水平波浪弯矩( h b m ) 、水平波浪剪力( h s f ) 、扭矩( t m ) 。其中五个载荷 控制参数幅频响应为最大值( 包括正负两个最大值) 的时刻取为计算瞬时。d n v 提出的几个主要载荷参数为：舯横剖面最大波浪诱导垂直弯矩、最大水平弯 矩、最大扭矩、首柱最大垂向加速度、在船舯剖面附近板格的最大波动压力。 需注意的是，d r , i v 提出的主要载荷控制参数对油轮、散货船和集装箱船等是 一样的，并没有针对于特定的船型提出特定的载荷控制参数。实际上，主要 载荷控制参数的选取与要考察的船体构件有关对于船体，存在很多的重要 构件，如甲板、横舱壁、外底板、内底板、纵桁、纵骨等。根据某一载荷控 制参数选定的设计波，一般只能考察其中一部分构件在船舶寿命期内的受力 状况。例如，迎浪航行时的中垂和中拱状态只能考察甲板、底部等部位构件 的应力水平，而对舷侧构件则作用不明显。因此需要有效地选择多个典型的 设计波，才能全面地考察船体各个主要构件在航行过程中的可能恶劣海况下 的应力水平。不同的载荷控制参数，其考察的结构构件的侧重点是不同的。 一般情况下他们有一定的对应关系，其关系见表2 1 。 表2 1 载荷参数与考察的主要构件的对应关系 结构构件主要载荷参数 甲板垂直弯矩 舱口用板乖直弯矩、扭矩 外底板垂直弯矩、水平剪力 内底板垂直弯矩、水平剪力 舷o , n - 板水平弯矩、扭矩、垂直剪力 底部纵桁垂直弯矩 舷侧纵桁 水平弯矩 9 哈尔滨。i ：稃人孕硕十宁俺论文 2 2 3 设计波系统的确定 设计波系统的确定就是各主要载荷参数对应的设计波中各因素的定义。 一般情况下，设计波各要素的定义如下： 1 ) 选择典型的波浪环境参数，通常取全球波浪散布图，用线性切片理论 或三维方法计算船体在单位波幅规则波下的运动和波浪载荷传递函数，运用 概率论和数理统计理论，对以上所列举的主要载荷控制参数进行长期预报。 取一定概率水平或重现期的预报值作为设计值。按照d n v 的船体强度疲劳评 估方法，这一概率水平取为1 0 r 4 ，也即重现期内的应力循环次数为1 0 。共同 规范疲劳评估对应概率水平也是1 0 r 4 ，为了简便起见，有时也可用规范中给 出的相应概率水平下的波浪载荷设计值代替长期预报值。 2 ) 设计波的浪向和频率根据主要载荷控制参数的传递函数最大值决定 3 ) 设计波的波幅等于主要载荷控制参数的设计极值除以对应的传递函 数的最大幅值。 4 ) 等效设计波的相位应取在使所考虑的主要载荷控制参数在余弦波作 用下达到最大的相位或位置。 确定了波幅、浪向，频率和相位，我们就可以得到等效设计波的形式， 具体过程如下： 1 ) 设计波的频率和浪向 在给定的工况下，应用波浪载荷线性切片理论或三维方法计算船舶在单 位规则波中的响应。计算中应考虑各个浪向和足够范围内的波频，一般推荐 的做法是：从迎浪( 0 0 ) 到随浪( 1 8 0 0 ) 以1 5 0 步长递增浪向角，波浪频率的范 围是从0 2 r s 到1 8 r s 以0 0 5 r s 步长递增。 根据选定工况的主要载荷控制参数，对计算的该载荷参数的频率响应函 数，在浪向和波频范围内搜索，其中幅频响应最大值对应的波向和波频，即 为设计波的波向口和波频。 用每个主要载荷参数的频率响应函数达到最大值时的波频，计算设计波 的波长： 1 0 哈尔滨辈人学硕十学何论文 a - ( 2 m g ) o , 2 ( 2 一1 ) 式中，卫为设计波的波长；甜为设计波的圆频率。 2 ) 设计波的波幅 设计波系统的波幅是这样确定的：所考虑的主要载荷参数的长期值除以 该载荷参数幅频响应的最大值。即： n - 翥赫燃 协z ， 扣该匆孺预而面孺呋j 石 一 u 吖 式中，a 为设计波的波幅。 3 ) 各载荷成分的相位关系 由于等效设计波是简谐变化的，不同瞬时各载荷分量的组合是不同的， 因此在确定完设计波系统的各要素后，要进一步给定计算瞬时。计算瞬时一 般取为主要载荷参数达到最大值( 可正可负) 的时刻，并且要同时规定此工况 下的船舶受力状态( 垂向波浪弯矩是中垂还是中拱) 。否则，问题的解答将是 不唯一的。 计算瞬时各载荷分量的组合原理如图2 1 所示： 主控载荷参数 其它载荷参数 脉动压力 运动参数 计算瞬时1 计算瞬时2 ： 一 ： 一 - i x ：、 一 7 yo ：v 一 时间t 图2 1 各载荷分量相位关系示意图 由于采用的是线性理论，在简谐变化的波浪力作用下，船舶的剖面载荷、 运动和局部的动态响应等也是简谐变化的： m i a i a c o s ( o , , t + ，) ( 2 3 ) 式中，肘；为第f 载荷分量( 剖面载荷、运动等) 的瞬时值：a i 为第，载荷分 量频响函数的幅值；o 为设计波波幅；啦为与设计波波频对应的遭遇频率； 哈尔滨l ：程人学硕十学位论文 8 为第j 载荷分量频响函数的相位角。 按照上述原理和原则确定设计波，过程如图2 2 所示： 选定装载状况 计算各载荷量的频响函 j 汁算各主要载荷参数的长期预 i 确定设计波系统 l 给出各载荷成分的计算 图2 2 设计波确定的流程图 2 3 疲劳累积损伤 2 3 1 设计波中的应力响应计算 按疲劳评估设计波法的过程，在设计波参数( 航向角0 、圆频率、波幅 e 。) 确定后，需要用有限元技术计算船体结构的应力响应。基本过程是，首 先用波浪载荷计算程序得到船舶在航向角为一，圆频率为的规则波中的船 体运动以及外部水动压力的响应。将外部水动压力和与船体运动有关的各种 惯性力施加到船体结构有限元模型上，得到应力响应。实际计算中，直接输 入的是船舶在单位波幅规则波中的运动响应和动压力的值，所以计算结果是 单位波幅对应的应力响应值。 按上述思路进行计算，所面临的问题是，在波浪中结构的载荷及响应相 当复杂，尤其是各载荷相位的影响，使得不能直接判断出在一个波浪周期内， 结构应力响应峰值出现的时刻。处理方法一般有两个，一个是，在一个波浪 周期内按照一定的时间步长问隔求得一系列的解，从而找到应力响应的峰值。 另一个方法是，对于线性系统，可利用响应复数振幅的概念，通过分解与组 合响应的实部和虚部来得到响应的幅值。 2 3 2 应力范围的长期分布 船舶结构疲劳设计寿命期内应力范围的长期分布服从二参数w e i b u l l 分 布，其分布函数可见式( 2 4 ) 丘t s ，一孝( 詈) 一e x p 【一( 詈) 】 。主s t + * c z 一4 ， w e i b u l l 分布的形状参数h 一般是根据结构所处的海洋环境、结构类型 及响应特性以及构件在整个结构中的位置等因素来确定到目前的研究结果 表明，形状参数的数值一般是在0 7 到1 3 之间。通常是用某一海况资料对 一批船舶进行疲劳载荷的长期分析，然后按w e i b u l l 分布对结果进行拟合， 从而得到参数h 的值。作为精确计算的替代，可利用规范中给出的估算公式， 例如c s r 规定取为1 0 ，c c s 规定为： h - 1 4 5 0 0 3 6 f 4 l f 一1 - o 0 8 z d i ，- 0 9 2 + 0 0 8 g d ，) ，o d d 。) d 一型深 d n v 疲劳规范的公式为： h - h o h h o + 九( d - z x d z 。) h h o + 丸 h 一，1 0 + 丸z l 。- 0 o o s ( r 。- z ) h h o 一0 0 0 5 7 乙 h 一+ 吃 以上式中， z 主d l z d l 对于甲板纵骨： 对于水线以上的舷侧结构； 对于水线处的舷侧结构； 对于水线以下的舷侧结构； 对于底部纵骨： 对于纵舱壁和横舱壁 h o - 2 2 1 一l o g 。) ，为基本形状参数t 为计算船长。 i l 。是和运动响应周期有关的附加系数，其值为 九= 0 0 5 对于般情况 = o 0 对于承受与横摇运动有关的板，用于横摇周期矗，1 4 秒的船。 在形状参数值| | l 已知的情况下，尺度参数q 可用回复期内疲劳载荷长期 分析得到的对应某一超越概率的应力范围表示。通常是用超越概率为 p 岱，既) , i n 。的应力范围来表示。其含义是，在该回复期内的全部帆 ( c s r 规定。取为1 0 4 ) 次应力范围循环中，大于是的应力范围仅可能出现 一次。利用式( 3 4 ) 可得 ， s l ) = i - p ( s s t ) = i - f 帐) 】s ， 再根据& 超越概率的定义，可得到尺度参数口和s t 的关系如下： p 看 q 。6 由式( 2 6 ) 可知，在形状参数值h 已知的情况下，只有得到与】：的超 越概率相对应的应力范围s ，才能得到应力范围长期分布的尺度参数，进而计 算出疲劳累积损伤。 而疲劳评估的设计波法的正是以此为出发点，首先选定一种主要载荷参 数，对其进行长期分析，得到超越概率为】。的主要载荷参数的长期值。然 后按照某种方法找到某一设计波，使得在此设计波的作用下，该主要载荷参 数的响应达到主要载荷参数的长期值，那么在这个设计波的作用下，结构的 应力响应就是与主要载荷参数的长期值对应的应力响应，即与v 。的超越概 率相对应的应力范围舅。在实际计算中，一般是对结构在此设计波单位波幅 下的应力响应进行计算，得到名义应力响应幅值口。，进而利用式( 2 - 7 ) 计算 得到超越概率 l j v l 的应力范围s l ，最后代入式( 2 6 ) 得到应力范围长期分 布的尺度参数g 。 s f 一2 k 口盯。 ( 2 7 ) 式中，盯。为与设计波对应的单位波幅的名义应力幅值，即2 3 1 节中得到的 1 4 哈尔滨f ：稃人学硕十宁何论文 设计波的应力响应；a 为设计波波幅，由式( 2 2 ) 确定；k 为应力集中系数， 可以根据不同的结构形式从规范中查找，也可利用有限元法计算得到。 2 3 3 疲劳损伤度和疲劳寿命 对某一装载状态，在得到上述应力范围的长期w e i b u l l 分布后，即可计 算其疲劳累积损伤度。对于设计疲劳寿命期内具有多个装载状态的情况，其 总的疲劳累积损伤度，是各装载状态疲劳损伤度的组合，表达式为 d - 单熏p 簖r ( 1 + 刍( 2 - 8 ) 口 篇 以 式中，l 为船舶的设计疲劳寿命；d 为设计寿命期的疲劳累积损伤度；孑，坍 为s - n 曲线的两个参数；。为所考虑的装载状态的总数；以为第n 个装载 状态所占设计寿命的比例； l 为第n 个装载状态应力范围w e i b u l l 分布形状 参数，由前述近似公式得到；吼为第n 个装载状态应力范围w e i b u l l 分布尺 度参数；r ( “劫为伽玛函数为应力响应的长期平均过零频率? 本文中的疲劳寿命按下式进行计算： ，弓。苦( 2 - - 9 ) 式中，0 为疲劳寿命；瓦为设计寿命；d 为疲劳累积损伤度。 2 4 本章小结 相对于疲劳评估的谱分析方法，设计波法具有既能够反映结构的细节， 计算工作量又相对较小的优点。本章对设计波的原理，包括载荷控制参数、 设计波系统的确定进行了详细的说明，进而对设计波下的结构疲劳累积损伤 的计算进行了论述。 哈尔滨1 。群人学硕十学能论文 第3 章i a c s 共同规范疲劳评估简介 3 1 概述 世界各主要船级社都有关于船舶疲劳强度评估的规定，但是存在较大的 差别，对同一船舶根据不同的规范进行计算，所得的结果也有很大的差异， 为了统一各船级社的要求和计算方法，i a c sc s r 对疲劳评估的载荷、工况、 数据的提取和处理以及评估标准做了强制规定，对船体构件的疲劳寿命和腐 蚀裕量的要求也有了显著的提高。 i a c s 共同规范基本上传承了以前各船级社的相关规定，采用简化法计算 纵骨疲劳，直接法计算关键点的热点应力疲劳。同基于简单梁理论的简化公 式相比，结构有限元分析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。本章将对c s r 规范规定的疲劳评估主要 载荷与工况，有限元模型的数据提取和处理以及纵骨简化评估方法作简要的 介绍。 3 2 装载工况和载荷实例 根据c s r 规范c h 4 ，s e c 4 和c h 8 ，s e c l 关于疲劳评估的装载工况和载 荷实例的要求，所产生响应值与计为构件主要载荷分量长期响应值相等的规 则波，设定为等效设计波( e d w s ) ，其组成部分为： 当垂直波浪弯矩在迎浪中达到最大时的规则波( e d w “h ”) 当垂直波浪弯矩在顺浪中达到最大时的规则波( e d w “f ”) 横摇达到最大时的规则波( e d w “r ”) 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 ) 的相应载荷实例见表3 1 根据c s r 规范c h 4 ，s e c t 和c h 8 ，s e c l 疲劳评估的装载工况包括均匀 1 6 哈尔滨i 。袢人中硕十学位论文 装载、隔舱装载、一般压载和重压载四种，见表3 2 。各装载工况分别对应载 荷实例h 1 、h 2 、f 1 、f 2 、p 1 、i 2 、r 1 、r 2 。 表3 1 载荷实例的定义 载荷实例 h 1ih 2f 1i f 2 r 1lr 2p 1lp 2 e d w“h ”“p “r ” “p ” 浪向迎浪随浪舷向浪舷向浪 最人弯矩最人弯矩最人横摇最大外部压力 影响 中垂i 中拱中垂l 中拱 ( + )l( ) ( + )i( ) 表3 22 1 0 , 0 0 0ts s s 结构疲劳分析的装载工况 序说吃水t s 图例 垂向静水 号明 ( _ ) 弯矩 均 匀 11 8 3 0 5 m “- ) 装 载 隔 舱 21 8 3 1 0 m + ) 装 载 3 般 8 6 6 1 0 m 压 载 重 4压l o - 2 0 7 m e 载 3 3 疲劳载荷 各种装载工况下，施加的载荷包括： 1 ) 舷外水压力 舷外水静水压力以2 d 面压力的形式施加到相应的板单元上； 由波浪及船舶运动引起的舷外水动压力以2 d 面压力的形式施加到相应 的板单元上； 2 ) 货物( 包括压载水) 静压力 1 7 哈尔滨- 仔i 夫。硕 学竹论文 法向静压力以2 d 面压力的形式施加到相应的板单元上： 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； 3 ) 由船舶运动( 加速度) 引起的货物( 包括压载水) 动压力 法向动压力以2 d 面压力的形式施加到相应的板单元上； 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 ) 端面弯矩和剪力 端面垂向弯矩及剪力 端面水平弯矩及剪力 3 3 1 舷外水压力 以节点集中力的形式施加到独立点上； 以节点集中力的形式施加到独立点上； 以下为基本参数定义 a 一相应工况下的波长； 了k 一相应工况下的吃水； e 一相应工况下水线处型宽。 舷外水压力： p - b + f ( 3 1 ) 式中：b 一静水压力； p ，一波浪压力，等于水动压力与水动压力修正之和； 3 3 1 1 静水压力 表3 3 静水压力b 位置 静水压力，b ，? 砭： 水线以下gs )p g 一z ) w ip 。筠t 寺 耀 a k 线v a 上( z ，瓦。) 0 - 一 3 3 1 2 水动压力 1 8 哈尔滨i 。种人学硕十学伊论文 1 ) 载荷实例h 1