（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）小水线面双体船结构疲劳评估方法研究.pdf

哈尔滨丁稗大学硕+ 学位论文 摘要 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。本文针对小水线面双体船的结构疲劳问题开展研究， 其主要内容如下： ( 1 ) 介绍了船体结构疲劳强度校核的基本原理。论述了基于m i n e r 线性累 积损伤理论的疲劳校核方法和基于p a r i s 裂纹扩展法则的断裂力学方法。 ( 2 ) 论述了基于c c s 规范的小水线面双体船疲劳评估方法。从疲劳载荷计 算、参考应力计算以及累积损伤计算和结构疲劳强度评估准则等方面进行了 详细的说明。 ( 3 ) 论述了船舶结构疲劳评估谱分析方法的基本原理。包括应力传递函数 的计算以及累积损伤度计算等内容。 ( 4 ) 对疲劳评估的断裂力学方法进行了研究。利用n e w m a n i u 公式计算 表面裂纹的应力强度因子，基于p a r i s 公式，给出了随机载荷作用下，裂纹扩 展寿命的计算方法。 ( 5 ) 建立某小水线面双体船的全船有限元模型，并对其分别采用简化方 法、谱分析法和断裂力学方法进行疲劳强度评估。 关键词：疲劳评估；小水线面双体船；简化方法；谱分析；断裂力学 哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 a bs t r a c t f a t i g u ed a m a g ei so n eo ft h em a i nf a i l u r em o d e sf o rs h i pa n do f f s h o r e s t r u c t u r e sa n dh a sb e e nav i t a ls t u d yf i e l df o ra l o n gt i m ei ns h i pb u i l d i n ga n d o c e a ne n g i n e e r i n g t h es t r u c t u r a lf a t i g u eo fs w a t h i ss t u d i e di nt h ed i s s e r t a t i o n a n dt h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eg e n e r a lp r i n c i p l e so ft h ef a t i g u ea s s e s s m e n to fs h i ps t r u c t u r e sa r e r e v i e w e d f i r s t ，t h ef a t i g u ea s s e s s m e n tm e t h o db a s e do nm i n e rl i n e a rc u m u l a t i v e d a m a g et h e o r yi sd i s s e r t a t e d t h e n ，t h ef r a c t u r em e c h a n i c sm e t h o db a s e do np a r i s c r a c kg r o w t hc a l c u l a t i o np r i n c i p l ei sd i s c u s s e d ( 2 ) t h es i m p l i f i e dp r o c e s so ft h ef a t i g u ea s s e s s m e n to fs w a t h p r e s e n t e db y c c si sd i s s e r t a t e d t h ed i s c u s s i o nc o n c e n t r a t e so nt h ec a l c u l a t i o no f f a t i g u el o a d s a n dr e f e r e n c es t r e s s e s ，c u m u l a t i v ed a m a g e sa sw e l la st h ec r i t e r i o no ft h ef a t i g u e a s s e s s m e n t ( 3 ) t h eb a s i ct h e o r ya n dp r o c e d u r e so ft h es p e c t r a l b a s e df a t i g u ea n a l y s i so f s h i ps t r u c t u r e sa r ed i s s e r t a t e d t h ec a l c u l a t i o no fs t r e s st r a n s f e rf u n c t i o na n d c u m u l a t i v ed a m a g ec a l c u l a t i o na r ei n c l u d e d ( 4 ) t h ef r a c t u r em e c h a n i c sm e t h o di ss t u d i e d n e w m a n - r a j uf o r m u l ai su s e d t oc a l c u l a t e dt h es t r e s s i n t e n s i t yf a c t o r b a s e d o nt h ep a r i s e q u a t i o n ，t h e c a l c u l a t i o no fc r a c kg r o w t hl i f eu n d e rr a n d o ml o a d si sg i v e n ( 5 ) t h eg l o b a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fas w a t hi sb u i l t ，t h es i m p l i f i e d m e t h o d ，s p e c t r a la n a l y s i sm e t h o da n df r a c t u r em e c h a n i c sm e t h o da r eu s e dt o c o n d u c tt h ef a t i g u ea s s e s s m e n to ft h es w a t h s t r u c t u r e s k e yw o r d s ：f a t i g u ea s s e s s m e n t ；s m a l lw a t e r p l a n ea r e at w i nh u l l ；s i m p l i f i e d m e t h o d ；s p e c t r a la n a l y s i s ；f r a c t u r em e c h a n i c s 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、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 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 棚一脘镱瓣悴栅的鬻翟等獠斧辔 e ta - 参一9 j 7 年乡月f ，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( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程太学送交有苯部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：锨厍鬈瞀导师( 签- 7 - - ) ：乡导l 哥次 日期：7 勺 7 年乏月o 日心崎c 1 年弓月o 日 d 、| ， 、 哈尔滨t 稗大学硕七学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 船舶结构疲劳强度是指船舶结构在一定的交变应力作用下经一定循环周 期不致损坏的能力。船舶在营运过程中由于其装载状态、航行区域等条件是 不断变化的，特别是在大风浪中，船舶经常处于中拱、中垂交变应力状态下， 这种交变载荷周期性的累积效应造成船舶的疲劳破坏【l 】。疲劳的一个明显特 点是材料所承受的载荷不会对其造成立即破坏，只有在经历一定次数的载荷 波动后材料才会产生失效【2 】。 疲劳破坏被认为是船舶及海洋工程结构的主要破坏形式之一。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，但对于船舶结构疲劳 破坏问题的真正重视从上世纪7 0 年代末才开始。美国海岸警卫队船舶结构委 员会( s h i ps t r u c t u r ec o m m i t t e e ，u sc o a s tg u a r d ) 曾组织对六种不同类型的8 0 余艘船舶中的六十多万个结构细部进行了调研和分析，结果表明约九分之一 的破坏与疲劳损伤有关【3 - 4 。特别是对于大型船舶和使用高强度钢材的船舶， 疲劳问题显得尤为突出【5 l 。因此，研究船舶结构的疲劳问题显得尤为重要。 近年来，随着海上运输方式的多样化以及人类对海洋资源的积极开发， 对船舶性能的要求也逐渐发生变化。小水线面双体船s w a t h ( s m a l l w a t e r p l a n ea r e at w i nh u l l ) 船，或半潜式双体船，正是这样一种耐波性能极其 优良，中高速下阻力小，甲板面积相当宽敞，可以完成多种使命，满足各种 航海要求的新船型。 双体船的船体外形特殊，所受波浪载荷复杂，该型船的主尺度一般比较 小，由波浪力和船舶运动惯性力的共同作用，在船体结构中引起的交变应力 频繁。另外，该船型整体刚度较常规船偏弱，应力集中问题突出，因此其结 构疲劳强度的评估显得特别重要。与常规单体船结构的不同的双体船连接桥 结构，其疲劳强度问题显得尤为重要【7 】。 哈尔滨t 程大学硕十学 = 啻：论文 为了在设计阶段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，如挪威船级社( d n v ) 【8 】、美国船级社 ( a s 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” 9 1 。然而目前各国船级社规范中关于 船体结构疲劳强度评估方法的主要研究对象是大型船舶，而关于小水线面双 体船的疲劳分析很少。各国船级社的规范中除美国船级社的“小水线面双体船 建造及入级指南”( 草稿) t 1 0 1 规定了该船型疲劳分析的概念性规则外，中国船 级社2 0 0 5 年颁布的小水线面双体船建造指南也对该船型疲劳分析做了相关 规定】。但是，关于小水线面双体船的疲劳强度评估的构件及部位、疲劳 载荷的确定等问题的相关规则并不十分完善，有待进一步研究。因此，对小 水线面双体船的结构疲劳问题，特别是连接桥部位的疲劳问题开展研究具有 重要的工程应用价值。 1 2 国内外船舶疲劳强度研究综述 船舶结构的疲劳的研究已有相当长的历史，2 0 世纪6 0 年代初，挪威和瑞 典的船舶设计者注意到船舶疲劳裂纹经常出现在首尖舱船底中部、桥楼两端 的舷墙处及大开口角隅处。但对于船舶结构疲劳破坏问题的真正重视开始于 7 0 年代末，j o r d a n ，c o c h r a n t l 3 以4 j 花了数年的时间对正在服役的7 种船型的8 6 艘船舶的节点部位进行了仔细的调查，发现了不少疲劳裂纹，证实了疲劳破 坏在船舶破损中是很严重的问题。m t m s e 1 5 - 1 6 等人通过对j o r d a n 和c o c h r a n 划 分的6 3 4 种典型节点的研究，探讨了疲劳强度的校核方法，提供了相应的s - n 曲线。随后w i r s h i n g ，c h e n 1 7 】考虑到疲劳强度评估过程中存在大量的不确定 性，提出用基于概率论的方法进行分析。直到那时，对于疲劳强度的研究还 主要集中在大学或一些研究机构，还没有引起整个船级社的特别重视。 目前各国船级社提出的疲劳强度评估方法主要是基于s _ n 曲线$ 1 m i n e r 线性累积损伤理论的疲劳累积损伤分析方法。并可分为简化算法和直接计算 2 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 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。目前基于s 州曲线的方法应用较多的还是各个船 级社规范的简化方法。 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。国际船舶与海洋工程结构大会( i s s c ) 疲劳与断裂技术委员会组织的对几个主要船级社的疲劳强度校核方法的比较 研究证实了这一点。在2 0 0 0 年i s s c 疲劳和断裂技术委员的报告中【l 引选一艘集 装箱船上的一个比较简单的节点，不同船级社标准给出的疲劳寿命在1 8 年至 2 0 7 年之间，分散程度远远超过工程可接受的程度。 2 0 0 4 年6 月i a c sj t p 工作组的三家船级社a b s 、d n v 和l r 共同推出了双 壳油轮结构共同规范以及其他七家船级社( 法国船级社、中国船级社、德国船 级社、韩国船级社、日本船级社、意大利船级社和俄罗斯船级社) 联合推出了 大型散货船共同结构设计规范。j t p c s r 以及j b p c s r 疲劳计算方法仍然均 是建立在传统的s - n 方法基础之上。 由于基于s - n 曲线的疲劳强度校核方法本身的不足以及断裂力学及相关 数学力学理论及计算技术的发展，使得以疲劳裂纹扩展为基础的疲劳寿命预 测方法成为目前疲劳问题研究的热点。以疲劳裂纹扩展为基础的疲劳寿命预 测方法的研究重点主要集中在，裂纹扩展模型的研究和应力强度因子计算的 研究。在裂纹扩展模型中，p a r i s 提出了著名的p a r i s 公式，指出疲劳裂纹在 每个应力循环过程中的扩展量d a d n 与应力强度因子幅a k 有关；为了考虑 平均应力的影响，1 9 6 7 年f o r m a n 提出了疲劳裂纹扩展速率的修正公式； p e e k e r , n i e m i t l 9 】在局部应变方法的基础上提出了新的疲劳裂纹扩展模型； t e r a i ，t o m i t a ，h a s h i m o t o 2 0 】将疲劳裂纹扩展的理论应用到船舶结构的疲劳评 估中，此方法可预测疲劳寿命以及进行疲劳裂纹损伤分析。疲劳裂纹扩展 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 ( f c p ) 理论可以将各种疲劳寿命预测方法统一起来( m i l l e r 【2 1 1 ，n e w m a n 2 2 1 ) ， n e w m a n 同时指出裂纹扩展理论最终会将疲劳和断裂力学概念联系起来。 c u i t 2 3 1 在m c e v i l y ，g m e g e r t ：2 4 1 与k u j a w s k i 口5 】的基础上找到了s - n 曲线与裂纹 扩展率之间的联系，说明在疲劳寿命校核中只需要得到一种类型的曲线，另 一种曲线可以通过已有结果得到。但是如何将f c p 理论用于船舶结构的疲劳 寿命计算仍需要大量的研究工作。 在应力强度因子计算的研究中，对于船舶及海洋工程中常见的焊接结构， 在确定其应力强度因子范围时，一般将它们简化为半椭圆裂纹或椭圆裂纹。 许多学者在这方面做了大量的工作，d i j k s t r a ，s n i j d e r ，s t r a a l e f f 【2 6 j 、 t h u r l b e c k ：2 7 1 。f u ，h a s w e l l ，b e t t e s s 【2 8 】针对焊趾表面裂纹问题提出了得到应 力强度因子放大系数的工程应用简化方法；n g u y e na n dw a h a b t ：四j 用线弹性方 法、有限元和叠加方法研究了对接几何参数对疲劳裂纹扩展寿命的影响； n e w m a n ，r a j u t 3 0 1 提出了表面裂纹的经验应力强度因子方程。b o w n e s sa n d l e e ：圳发展了一套估算t 型接头半椭圆裂纹焊趾处放大因子的方法，这种方 法已经被b s 7 9 1 0 引用。b o w n e s sa n dl e e t 3 2 】说明了这套方程发展的背景并且 说明其和试验数据吻合得很好。l e ea n db o w n e s s 3 3 】提出了一种用来估算管节 点焊趾裂纹处的应力强度因子值的工程方法，试验点处的疲劳裂纹扩展计算 说明此法过于保守。d o e r ka n df r i c k l d 3 4 1 得到了支架和加强筋倒角焊焊趾周围 处疲劳强度评估的一种简化方法，包括其他考虑残余应力影响的因素。但是 需要进一步的研究来证明这种方法，并更深入的研究不同几何尺寸、焊接顺 序和焊接参数对残余应力的影响。 国内对船体结构的疲劳强度也做了大量的研究，许多高校和科学研究部 门在从事船舶结构的疲劳强度的研究【3 孓了7 1 。文献p 8 通过对船舶结构疲劳寿 命评估中的简化方法、谱分析法以及设计波法的研究，给出一套的基于谱分析 的船舶结构疲劳评估直接计算法的解决方案，以及一套疲劳评估设计波法的 解决方案，从而形成一套能够合理预报船舶结构疲劳寿命的实用统一方法。文 献 3 9 4 0 】探讨了船舶及海洋工程结构疲劳强度评估中的一些问题，并且对液 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 化气体船液舱结构的疲劳强度进行了评估。文献 4 1 1 介绍了用结构可靠性分 析的通用程序i s p u d 来进行船舶结构的疲劳强度分析。针对国际上更加侧重 于定值法的趋势，文献【4 2 】研究了几种校核船舶结构疲劳强度的确定性方法， 并且对各种变量的影响作了定量的分析，在国内首次给出了基于线性切片理 论计算结果的垂向波浪弯矩服从w e i b u l l 分布的w e i b u u 形状参数的回归公 式。疲劳评估谱分析方法是目前公认的较为精确的疲劳评估方法，文献 4 3 】 用谱分析法对深水半潜式钻井平台进行了疲劳强度评估，文献 4 4 1 对s p a r 平 台也用谱分析法做了相关疲劳强度评估。 尽管国内外近些年来对船舶结构疲劳的研究都非常广泛深入，但研究对 象主要集中在常规的散货船、油船或集装箱船，而针对某些特殊船型的结构 疲劳研究却很少见。就小水线面双体船而言，人们比较关注的是连接桥的强 度问题，而关于其疲劳问题，比较著名的是劳氏船级社的m o r r i s 进行的相关 研究【4 5 j 。国内一些科研院所也从双体船载荷的确定等不同角度对其进行了研 究【4 6 f o l 。文献 7 1 p a 某小水线面油田交通船为依托探讨了小水线面双体船结构 疲劳强度的评估方法，其内容涉及疲劳强度评估构件及部位的确定、疲劳载 荷设计应力范围以及累积损伤度计算等问题。文献 5 1 5 2 1 分别对穿浪双体船 进行了疲劳强度评估。但以上文献中关于双体船疲劳强度评估都是基于船级 社规范的简化方法，对其采用谱分析法和断裂力学方法进行疲劳强度评估相 对很少。 1 3 本文的主要工作 针对以上背景和研究现状，本文分别用以中国船级社的船体结构疲劳强 度指南【l o 】和小水线面双体船指南【l l l 为基础的简化方法、直接计算的谱分析法 和断裂力学的方法，对某小水线面双体船的疲劳强度进行评估。主要研究内容 包括以下个方面： 1 ) 疲劳分析方法的基本原理。阐述了基于s - n 曲线和p l a m g r e n m i n e r 线性 累积损伤准则的疲劳累积损伤法和基于p a r i s 裂纹扩展法则的断裂力学法这两 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 种疲劳分析方法的主要内容。 2 ) 按照中国船级社的相关规范，对小水线面双体船疲劳评估的简化方法 做了探讨。包括适用于小水线面双体船的疲劳载荷计算、应力范围的计算以 及累积损伤度计算和结构疲劳强度评估准则等内容。 3 ) 对基于谱分析的疲劳评估直接计算法进行研究。论述了船舶结构疲劳 评估谱分析方法的基本原理，应力传递函数的计算以及累积损伤度计算。 4 ) 对基于断裂力学的疲劳评估方法进行研究。研究确定典型结构的裂纹 模型并探讨了应力强度因子的计算方法，给出了随机载荷作用下，裂纹扩展 寿命的计算方法。 5 ) 建立某小水线面双体船的有限元模型，并对其分别采用简化方法、谱 分析法和断裂力学方法进行疲劳强度评估。 6 哈尔滨下程大学硕士学位论文 第2 章疲劳评估方法原理简述 2 1 概述 由于从微观层次上看，疲劳破坏是一个极其复杂的过程，很难用严格的 理论方法进行描述或模拟。因此，目前的疲劳分析方法都是建立在宏观层次 上的。在这个层次上，目前国内外通用的疲劳分析方法可以分为两大类：基 于s n 曲线和p l a m g r e n - m i n e r 线性累积损伤准则的疲劳累积损伤方法( 简称 s - n 曲线法) 以及基于p a r i s 裂纹扩展法则的断裂力学方法( 简称断裂力学法) 。 s - n 曲线法仅适用于预报裂纹的起始寿命，但现在一般都将“疲劳破坏” 的概念模糊化，通过人为地定义某一种状态为“破坏”。这样，原来的一个扩 展过程就简化为一个状态，从而也将s - n 曲线法用于估计结构的全寿命期。 而断裂力学法明确考虑疲劳裂纹的扩展过程，但必须假定初始裂纹总是存在， 最后预报出临界裂纹出现的时刻。在断裂力学法中，裂纹产生的寿命被忽略。 这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 以占总寿命中的很大一部分。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z ，用断裂 力学法预报裂纹的扩展寿命瓦，然后计算全寿命乃= z - i - 疋。但这样做，方 法上比较复杂，涉及到的因素很多。 本章将对以上两种疲劳强度评估方法进行论述。 2 2s n 曲线法 s n 曲线法是最早形成的疲劳校核理论，它以材料或构件的s - n 曲线为 基础，对照试件或结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力，结合疲劳 损伤累积理论，校核疲劳强度或计算疲劳寿命。 哈尔滨t 释大学硕士学位论文 2 2 1s n 曲线 标准试样的疲劳试验，一般是在控制载荷或应力的试验条件下，用旋转 弯曲疲劳试验机或高频拉压疲劳试验机来做的。试验中记录试样在某一循环 应力s 作用下到达破坏时的循环数或寿命n 。对一组试样施加不同的应力幅 的循环载荷，得到一组破坏循环数。根据试验数据，可得到s - n 曲线。 由于材料性能的分散性以及尺度、设备、环境、操作等方面存在的不确 定性，疲劳试验的结果有很大的随机性和分散性。s - n 曲线只有建立在统计 的基础上才有意义，一般采用中值s - n 曲线，此时n 为疲劳寿命的中值。 描述材料s - n 曲线的最常用形式是幂函数式，即 s 肼n = c ( 2 - 1 ) 式中，m 、c 是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。两边取对数， 有 l g s = a + b l g n ( 2 2 ) 式中，材料参数a = l g c m ，b = 一1 m 。上式表明应力s 与寿命间有 双对数线性关系，在l g n l g s 坐标系中，它是一条直线。 2 2 2m i n e r 线性累积损伤理论 疲劳累积损伤理论是疲劳分析的主要理论之一，也是估算变应力幅值下 安全疲劳寿命的关键理论。大多数的工程结构或机械的失效是由一系列的变 幅循环载荷所产生的疲劳损伤的累积而造成的。疲劳累积损伤理论研究的是 在变幅疲劳载荷作用下疲劳损伤的累积规律和疲劳破坏的准则，所以它对于 疲劳寿命的预测而言是十分重要的。 所谓损伤，是指在材料疲劳过程中初期材料内的细微结构变化和后期裂 纹的形成和扩展。当材料处于循环载荷作用下时，每一个循环都使材料产生 一定的损伤，每一个循环所造成的平均损伤为1 n 。这种损伤是可以累积的， n 次恒幅载荷所造成的损伤等于其循环比c = n n 。变幅载荷的损伤d 等于 ， 其循环比之和，即d = y h i n , ，为变幅载荷的应力水平级数，为第鸸受 8 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 载荷的循坏次数，m 为第i 级载荷下的疲劳寿命。当损伤累积到了临界值d ， 时，即d = 碍m = d ，时，就发生疲劳破坏。d ，为临界损伤和，简称损伤 和。 任何一个疲劳累积损伤理论必定是以疲劳损伤d 的定义及其演化黑为 厦 基础。不同的研究者根据他们对损伤累积方式的不同假设，提出了不同的疲 劳累积损伤理论。在众多的疲劳累积损伤理论的定义中，目前工程实际应用 最多的是p a l m g r e n - m i a e r 线性累积损伤理论。 p a l m g r e n m i n e r 线性累积损伤理论的主要思想是：在循环载荷作用下， 疲劳损伤是可以线性地累加的，各个应力之间相互独立且互不相关，当累加 的损伤达到某一数值时，试件或是构件就发生破坏。其具体内容是： 构件在应力范围s 作用下，经受，z ，次循环的损伤为4 ，= n _ _ l c ：。若在k 个应 力范围s 作用下，各经受刀。次循环，则可定义其总损伤为 d ：如：艺争。( 2 - 3 )d = e = 争 破坏准则为： d ：窆鲁：1 ( 2 4 ) 惫n ， 、 其中，是在s 作用下的循环次数，由载荷谱给出；m 是在s 作用下循 环到破坏的寿命，由s n 曲线确定。 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， 肚詹= 严铲= m 芹峦 ， 式中，s 为应力范围，五( s ) 为应力范围分布的概率密度函数，为在 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，：为所考 虑的整个时问期间内应力范围的总循环次数，d n = n l 石( s ) d s 为落在区间 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 s ，s + 嬲】内的应力范围循环次数，i 为对所考虑的整个时间期间的积分。 z 最后，将式( 2 1 ) 代入( 2 5 ) 得到累积损伤度的常用计算式 d = 等l ( s ) d s ( 2 - 6 ) 式中，s 为应力范围，五( s ) 为应力范围分布的概率密度函数，兢为所 考虑的整个时间期间内应力范围的总循环次数，彳为s n 曲线的参数。 另外，本文中的疲劳寿命按下式进行计算： r r = 等 ( 2 7 ) j d 、 式中，一为疲劳寿命；乃为设计寿命；d 为疲劳累积损伤度。 2 2 3 应力范围的长期分布 结构的疲劳载荷是一个与时间有关的累积过程，即使较小的载荷，在一 定时间的作用下也可能造成显著的疲劳损伤。因此，必须将疲劳载荷作为一 个随机过程来全面地加以研究。船舶结构的疲劳损伤，主要是由于海洋波浪 的无规则运动作用在结构内引起交变应力造成的，这是一个典型的随机过程。 由此引起结构内的交变应力也是一个随机过程t 6 1 。 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。 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【5 粥4 1 ，其分布函数可见式( 2 8 ) 五c s ，= 鲁晤 6 e x p 一( 詈) 6l 。ss s ：，) = 1 ：的应力范围s ，则由一系列简化公式来计算。一般是用给定 的海况资料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 1 6 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 公式，它们构成了疲劳评估简化方法的主要内容。 钔基于m i n e r 线性累积损伤理论和洲曲线得到疲劳累积损伤，也就 是计算疲劳累积损伤度。 总的来说，简化方法主要包括下述内容： 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 ) 应力集中系数的确定； 5 ) 累积损伤度的计算和衡准。 本章以中国船级社的船体结构疲劳强度指南和小水线面双体船指南为基 础，内容主要包括疲劳载荷计算、疲劳强度评估部位及构件的确定、疲劳载 荷应力范围的计算以及累积损伤度计算和结构疲劳强度评估。 3 2 双船体连接桥结构疲劳强度校核部位 双船体连接桥结构强度最弱且受力和变形最大的结构件是支柱体和连接 桥的根部。尤其是横浪工况周而复始的横向波浪动载荷在船体外部形状突变 的船体外板和横舱壁中频繁产生交变应力，加上该部位应力集中问题突出， 这无疑构成了这些部位结构损伤的隐患。因此可以将支柱上端和连接桥根部 作为双船体连接桥结构疲劳强度的校核部位。具体为： 船体纵骨和横向构件( 横舱壁、横框架) 的连接处； 横舱壁和或横框架的下列部位( 见图3 1 和图3 2 ) ： ( 1 ) 舷台和支柱体的连接处； ( 2 ) 舷台和湿甲板的连接处； ( 3 ) 其他应力集中处。 1 7 ：2 ：鎏三堡銮兰2 圭：罂鎏三 图31 横舱壁疲劳评估的典型部位 # 童耋善i 蠢毫 ；一 图3 2 横框架疲劳评估的典型部位 哈尔滨工稗大学硕士学位论文 3 3 小水线面双体船的疲劳评估简化方法 3 3 1 疲劳分析工况 计算时一般考虑最常用工况，其中迎浪、横浪和斜浪三者之间的时间分 配比例关系按迎浪占5 0 ，横浪和斜浪各占2 5 的营运时间确定，见下表。 表3 1 时间分配系数口 迎浪横浪斜浪 分配系数0 50 2 50 2 5 3 3 ，2 载荷计算 s w a t h 与常规运输船存在较大差异。一方面s w a t h 的主要结构问题 为横向强度。另一方面其考查区域一般情况并未受到波浪的直接冲击。并且 由于该船总体布置的特殊性，支柱体和连接桥部位大多为空舱一般不会出现 由于船舶运动产生的舱内货物压力。基于上述分析可认为s w a t h 的疲劳载 荷主要为波浪载荷。 3 3 2 1 总体横向弯矩计算 参照c c s 小水线面双体船指南2 0 0 5 规定，小水线面双体船在零航速时 所遭受的横向波浪载荷通常为最大横向载荷。小水线面双体船的总体横向弯 矩由横向对开力作用形成的弯矩和船体所受到的浮力( b + ) 及船体重力 载荷( 口+ s ) 合成作用形成的弯矩鲋现按下式组合而成，各个载荷的作 用位置见图3 3 ： = 蛑，k n m ( 3 1 ) 1 9 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 兔冲 ：i ：【jll l：li lili lj 【 琏接辑臻别搿i 喀l 矬 fe厂” 如|m - 一j 一一一一 i l ； j ，j l 妒 ， jc i i 承线 i d i 2 i i 厂、 艘 b c 氏。、 戳 警 p b风 ki 1 k 幽3 3 载衙的作用位置不葸图 由横向对开力e 作用形成的弯矩珥，k n m ，应按下式计算： a。=gf。y以(d：2，-2d一一2一)二二二二二淼 ( 3 2 ) 式中： e 横向对开力，见图3 3 ； d 。从基线至计算点( 如图3 3 中的点c 、d 、e 和f ) 的垂直距离； d 设计吃水； q 。以均布载荷形式等效作用在支柱体和下潜体的，即q ，= 等； 2 0 哈尔滨- t 稗大学硕士学何论文 对于非高速小水线面双体船，横向对开力应按式( 3 3 ) 计算，并假定从 基线至设计吃水高度的垂直方向上呈线性均匀分布，其合力作用点位置应取 1 2 吃水处( 见图3 3 ) 。 f ，= + 9 8 1 d f t l f a k n ( 3 3 ) 式中： 研系数，d e = 3 2 4 - 0 5 5 1 0 9 l o a ： 丁系数，丁= 1 7 5 4 d l ”： 三f 系数，l f = 0 7 5 + 0 3 5 t a n h ( 1 6 5 1 。j 仃一6 0 ) ； 满载排水量，t ； d 设计吃水，m ； l 。支柱体水线长度，r n 。 综上，以均布载荷形式等效于作用在支柱体和下潜体的横向对开力作为 疲劳分析载荷。 横向对开力e 作为疲劳载荷时应取向外和向内两种作用方向的对开力 分别计入。我们将