（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于jbp规范的船体疲劳分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 从2 0 0 6 年4 月1 日起在全世界范围内开始实旋的共同结构规范：油船共同结构规 范( j t p ) 和散货船共同结构规范( j b p ) 是全世界造船业进入一个新时代的标志。所以 研究新规范，具有深远且重大的意义。 散货船是国际航运中仅次子油船的第二大船队，它的装载情况非常复杂，而且为适一 应于货物运输量发展的趋势，散货船的尺度有不断增大的趋势。在对近年来发生的散货 船海难事故调查中发现，疲劳失效是船舶结构破坏的最主要模式之一，因此，对于疲劳 的研究已经成为散货船风险评估中极为重要的部分了。 在本文中，以j b p 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，并且以一条散货船为例，采用两种不同的方法分别对其迸行疲劳评估计算，并将结 果简单进行比较，以期达到熟悉验证新规范和寻找一个进行疲劳校核的最佳方法的目 的。 首先，对疲劳理论的基础知识进行了一下阐述，主要说明了评估的两种方法，对两 种方法进行了简单的比较，并且详细介绍了s - n 曲线法。 其次，本文还研究了j b p 规范中关于疲劳评估的详细方法。在j b p 中，热点应力的 评估有两种方法，分别是有限元法和经验公式法，其中，在经验公式法中，根据构件的 位置不同，所采用的公式也有所不同，将求得的热点应力通过换算求得切口应力，再根 据s - n 曲线原理，就可以对船体进行疲劳评估分析。 再次，选取了一条合适的散货船，采用前述方法对其进行疲劳评估，并将计算结果 进行简单比较，说明两种方法各自的特点。 最后，将j t p 规范与j b p 规范中的疲劳评信进行比较，分析研究两个规范中疲劳评 估方法的异同点，同时改变j b p 规范中的参数，以期验证参数对评估结果的影响。 关键词：j b p 规范；d i p 规范；有限元分析：s - n 曲线；疲劳评估 基于j b p 规范的船体疲劳分析 s h i ph u l l sf a t i g u ea n a l y s i sb a s e do nj b p r u l e s a b s t r a c t s i n c et h ed a t eo fa p f i lt h ef i r s t ，2 0 0 6 ，t h ec o m n _ l o nr u l e so fs t r u c t u r ei n c l u d i n gj t pa n d j b pw h i c hh a db e e np u ti n t op r a c t i c ea l lo v e rt h ew o r l dw a sam a r k e rt h a tt h ew o r l d s s h i p b u i l d i n gi n d u s t r yh a de n t e r e dan e we 地s o r e s e a r c ho nt h e s en e wr u l e sw i l lh a v e f a r - r e a c h i n ga n dg r e a ts i g n i f i c a n c e b u l kc a r r i e r , w h i c hh a st h es e c o n dl a r g e s tn u m b e ra f t e rt h et a n k e ri nt h ef i e l do f i n t e r n a t i o n a ls h i p p i n g ，i t sl o a d i n gc o n d i t i o n sa r ev e r yc o m p l i c a t e d m o r e o v e r , i no r d e rt o a d a p tt ot h ed e v e l o p m e n tt r e n do f t h ef r e i g h tc a p a c i t y , t h es c a l eo f b u l kc a r r i e r sa r eh a v i n gt h e t r e n dt oi n c r e a s e f r o mt h es u r v e yo nr e c e n ty e a r s m a r i t i m ea c c i d e n t ，w ef i n dt h a tf a t i g u e f a i l u r ei so n eo f t h em a i nm o d e so f t h es h i ps t r u c t u r e sd a m a g e t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nf a t i g u e h a sb e c o m et h ee x t r e m e l yi m p o r t a n tp a r to f t h er i s ka s s e s s m e n tf o rb u l kc a r r i e r i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h ej b pr u l e sa n dt h et h e o r yo ff a t i g u e ，w ec a r r yo u ti n - d e p t h d i s c u s s i o n sa b o u tt h em e t h o d so ff a t i g u ea s s e s s m e n ti nt h en e wr u l e s a tt h es a m et i m e ，w e t a k eap r a c t i c a lb u l kc a r r i e rf o re x a m p l ea n da d a p tt w od i f f e r e n tm e t h o d st oc a r r yo u tf a t i g u e a s s e s s m e n tc a l c u l a t i n g b yc o m p a r i n g 、i t l lt h ed i f f e r e n tr e s u l t s w ei n t e n dt ob ef a m i l i a rw i t h t h en e wr u l e sa n df i n dt h eb e s tw a yf o rf a t i g u ec h e c k i n g f i r s t l y , w ee x p o u n dt h eb a s i ck n o w l e d g eo ff a t i g u et h e o r y , m a i n l yp r o v i d i n gt w o m e t h o d so fa s s e s s m e n t se x p l a n a t i o n ，as i m p l ec o m p a r i s o no f t h et w om e t h o d sa n dad e t a i l e d b r i e f i n go n t h es - nc a r v em e t h o d s e c o n d l y ，t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ed e t a i l e dc a l c u l a t i o nm e t h o da b o u tf a t i g u e a s s e s s m e n ti nj b pr u l e s t h e r ea r et w om e t h o d sf o rh o t s p o ts t r e s se a l c u l a t i o n ：t h ef i i l i t c e l e m e n tm e t h o da n dt h ee m p i r i c a lf o r m u l am e t h o d i nt h ee m p i r i c a lf o r m u l am e t h o d ， a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tp o s i t i o n so fc o m p o n e n t s t h ef o r m u l aw eu s e di sa l s od i f f e r e n t w j c a no b t a i nt h er e s u l to fi n c i s i o ns t r e s sb yc a l c u l a t i n gt h eh o t s p o ts t r e s s ，t h e nb a s e do nt h e p r i n c i p l eo fs nc h i v e ，w ec a r r yo u tt h ef a t i g u ea s s e s s m e n ta n a l y s i so ns h i ph u l l n e x t ，b ys e l e c t i n gas u i t a b l eb u l kc a r r i e r , w eu s et h em e t h o dm e n t i o n e da b o v et oc a r r y t h r o u g ht h ef a t i g u ea s s e s s m e n ta n dc o m p a r et h er e s u l t ss i m p l y f i n a l l nw ec o m p a r et h ef a t i g u ea s s e s s m e n tm e t h o di nj b pr u l e sw i t ht h eo n ei nj t p r u l e si no r d e rt of i n do u tt h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so ft h ef a t i g u ea s s e s s m e n tm e t h o di n t h e s et w or u l e s k e yw o r d s ：j b pr u l e s ；j t pr u l e s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；s - nc u r v e ；f a t i g u e a s s e s s m e n t 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： 日期：迎叠，丝! 垡 大连理工大学硕士研究生学位论文 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 导师签名 辑年上月丑曰 入连理l 尺学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 船舶建造标准在整个海上安全链中具有重要意义。通过制定共同船舶建造标准来抵 制低标准船舶，对于保证海上安全，保护海洋环境意义深远。 一直以来，不同的船级社使用着不同的船舶结构规范标准，这样的模式有很多的弊 端：目标不透明，风险的接受程度不统一，不利于对船舶设计方案的评估。这些弊端导 致船舶结构无法满足航行要求。工业界要求船舶结构规范能够适用于目标船，使船舶结 构更坚固、实用更方便，而社会各界希望航行更安全、更环保，海上人命和财产的安全 更有保障，同时减少对环境的污染，因此，通过制定共同船舶建造标准来抵制低标准的 建造，满足工业、航运界对“坚固、耐用”船舶的需求，更好地保证海上安全和保护海 洋环境，追求高品质航运。鉴于此，拥有全球商船总吨9 0 以上船级的国际船级社协会 ( i a c s ) 制定了“散货船结构共同规范( j b p ) ”和“油船结构共同规范( j t p ) ”，此举引发 了一场规范的变革。 制定共同的规范具有一定的战略意义，此举可以满足工业界期望建造更加坚固嗣用 适用的船舶，进一步满足使用需求；消除各船级社之间在船舶最小尺寸方面的竞争；建 立统一的规范，在成员船级社中统一实施，同时也可以使各个船级社的经验得到共享。 新规范的关键之处在于“统一”。规范“统一”之后，无论船舶入了哪家船级社的船级， 之后又转到哪家船级社，它在换板修理的过程中，所使用的结构标准是一致的，这对于 船东来讲是个好消息，同时也方便了船级社的管理。 而且这次共同规范的提出，使各个国家都处于了同一起跑线，这就无疑为我们提供 了一次提高自身地位的契机，我们要把握住这次难得的机会，认真研究新的规范，努力 减少与其他国家的差距，赶上甚至赶超其他国家的造船水平，所以，对共同规范的研究 具有深远且重大的意义。 1 2 研究的对象及现状 12 1 散货船 散货船自2 0 世纪5 0 年代中期出现以来，总体上保持着强劲的增长势头。在国际航 运业中，散货船运输占货物运输的3 0 以上“1 。由于货运量大，货源充足，航线固定， 装卸效率高等因素，散货船运输能获得良好的经济效益，散货船已成为运输船舶的主力 军。随着世界经济的发展，散货船运输仍将保持较高的增长势头。 基于j b p 规范的船体疲劳分析 自1 9 8 0 年以来，几乎所有的散货都由专用的散货船承运。2 0 世纪8 0 年代中期以后， 散货船船体损伤引起的沉船事故逐渐增多，散货船的安全问题受到世人关注，目前出现 的双壳体结构散货船，虽然空船重量和建造成本有所增加，但其安全、经济和运营优势 越来越得到航运界的认同，散货船的双壳化已是大势所趋。 近年来，我国散货船频繁发生水上交通事故，事故件数总量在全国运输船舶水上交 通事故总数中占有相当大的比重。2 0 0 3 年，全国运输船舶共发生水上交通事故6 3 9 起， 其中散货船共发生事故2 5 0 起，占事故总量的3 9 4 ；2 0 0 4 年，全国运输船舶共发生水 上交通事故5 6 2 起，其中散货船共发生事故1 9 8 起，占事故总量的3 5 2 ，给国家财产 和人民生命造成了巨大的损失n ，。 同时，在其他国家，散货船的损失也相当严重。英国劳氏船级社( l r ) 对在1 9 8 0 一- 1 9 9 6 年期间的散货船事故进行了统计：其中丢失5 5 条，发生严重事故6 1 条，船员死亡人数 达5 7 7 人“1 。随后劳氏船级社又发表了从1 9 9 7 年1 月至1 9 9 8 年4 月发生的各类船舶事 故统计资料，其中散货船又丢失了l o 条“1 。 幽i 1 散货船 f i g 1 1ab u l kc a r r i e r 1 2 2 疲劳问题 面对如此严重的财产和生命损失，各国都采取了相应的调查。在调查中发现，疲劳 破坏是船体结构的主要失效形式之一。 疲劳问题早在1 0 0 多年前就已丌始引起人们的注意。1 8 3 9 年巴黎大学教授j v p o n c c l c t 首先使用了“金属疲劳”这个概念。德国人a w o h l e r 为常规疲劳强度奠定了 基础，他第一次对疲劳强度进行了系统试验，首次提出s - n 曲线及疲劳极限的概念。2 0 2 一 大连理j ：大学硕士学位论文 世纪6 0 年代开始迅速发展的断裂力学，剥疲劳问题本质的阐释做出了巨大贡献。1 9 6 3 年，p c p a r i s 提出了疲劳裂纹扩展速度的指数定律( 即p a d s 公式) 。上世纪九十年代以 前，船舶结构疲劳强度的研究基本在于方法的探讨上。上世纪7 0 年代j o r d a n 和c o c h r a n ” 町花了数年的实践对正在服役的7 种船型的8 6 条船舶的节点部位进行了仔细的调查，发 现了不少疲劳裂纹。他们的调查结论与第七届i s s c 会议上肌所报道的数据比较一致。他 们的工作证实了疲劳破坏在船舶破损中的重要性。m u n s e 等人陬”在此基础上讨论了疲 劳强度的校核方法。 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 研究工作。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。上海交大的陈伯真、胡毓仁“，采用许 用应力范围衡准的方法对一数字例题集装箱角隅进行了疲劳强度校核研究“，并引入了 安全系数的概念。上海交大的孙久龙、陈伯真等曾利用d n v 的s e s a m 程序系统，采 用谱分析法对船体结构进行疲劳可靠性分析“”。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 b u l l 长期分布形状参数进行了较为细致地研究“”。可 见，国内研究的重点在于名义应力法评估，由于船舶应力计算的复杂性，目前对利用有 限元法评估的研究相对较少，同国外相比存在一定的差距。 1 2 3j b p 规范 散货船结构的共同规范是最近才出台的统一规范，已经于2 0 0 6 年4 月1 日起正式 实施，规范中有一些不为大家所熟悉的新的亮点，例如：采用了新的腐蚀模型，采用了 先进的波浪载荷模型，使外载荷的计算更为合理，采用了极限强度概念，增加了船舶强 度透明度，采用了直接计算技术，更适应于大型船舶的设计，吸取了疲劳评估技术，以 保证2 5 年的船舶使用寿命。准确确定船体结构的疲劳寿命是保证船舶安全的重要的衡 准。 虽然如此，但目前航运界的反对意见也比较突出。本来i a c s 发布新共同规范，是希 望船舶更加安全与峰固，但日本船东协会( j s a ) “”对于“增加船舶重量便自动获得船舶 安全”表示质疑，认为船体结构大量与过度增加重量，将导致船体重量增加，船速降低， 必然消耗较多燃油，并没有因此得到显著的安全利益。希腊船东则认为规范中尚有不足 之处，比如不依据百分比计算腐蚀裕度，将降低新造船某些部位的腐蚀部位的允许值， 这将导致船舶不但不坚固，反而更脆弱。此外，还存在一个共同油船结构规范和共同散 货船规范之问技术协调方面的问题。 但是，联合项目组专家对此表示，由于钢材成本在整个船舶造价中所占比重很小， 基于j b p 规范的船体疲劳分析 所以不会对船舶的造价形成大的冲击。此外，由于增加了钢材重量，船舶结构更加强固， 船舶的安全性得到了提高，从长远看，降低了航运的安全成本。从船舶设计的角度看， 共同规范降低了船舶的设计成本。 正因为有如此多的争论，所以对新规范的研究是非常有必要的，只有在不断争论和 讨论中，我们才能取得长足的进步，才能得到进一步的发展。 1 3 论文的主要研究内容 在本文中，以j b p 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，并且以一条散货船为例，采用两种不同的方法分别对其进行疲劳评估计算，并将结 果简单进行比较，以期达到熟悉验证新规范和寻找一个进行疲劳校核的最佳方法的目 的。 首先，对疲劳理论的基础知识进行了一下阐述，主要说明了评估的两种方法，对两 种方法进行了简单的比较，并且详细阐述了s - n 曲线法。 其次，本文还研究了j b p 规范中关于疲劳评估的详细方法。在j b p 中，热点应力的 评估有两种方法，分别是有限元法和经验公式法，其中，在经验公式法中，根据构件的 位置不同，所采用的公式也有所不同，将求得的热点应力通过换算求得切口应力，再根 据s - n 曲线原理，就可以列船体进行疲劳评估分析。 再次，选取了一条合适的散货船，采用前述方法对其进行疲劳评估，并将计算结果 进行简单比较，说明两种方法各自的特点。 最后，将j t p 规范与j b p 规范中的疲劳评估进行比较，分析研究两个规范中疲劳评 估方法的异同点，同时改变j b p 规范中的参数，以期验证参数对评估结果的影响。 一d 一 大连理工大学硕士学位论文 2 疲劳的基本理论及评估方法 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。 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船首 尖舱区、船中底部、桥楼两端的舷墙处及大开口角隅。1 9 7 2 年瑞典公布的对他们建造的 8 5 条大型船舶结构破损情况的调查表明，不包括由于碰撞或触礁引起的破损，在船体破 损中因裂纹造成破坏的比例占7 0 4 5 。上世纪7 0 年代末，j o r d a n 和c o c h r a n 对营运的 7 种船型的8 6 条船舶进行了广泛的调查，证实了船舶疲劳破坏在船舶破损中的重要性。 上世纪9 0 年代美国海岸警卫队对1 9 8 4 1 9 8 8 年6 9 艘发生破损的油船进行了统计，确 认8 0 以上是由于船舶疲劳和断裂引起的。英国劳氏船级社对1 9 8 0 1 9 9 6 年间1 8 6 艘 散货船海损事故的调查研究表明，一个重要的原因便是船舶疲劳强度不足，导致船舶破 舱进水而沉没。日本在8 0 年代以后建造的部分大型油船中，高强度钢在其船体结构中 广泛使用，营运几年后发现在载重线的下方、舷侧纵骨和横框架连接处产生裂缝。 第七届船舶结构力学大会论文指出，对于大型船舶来说，船长超过2 0 0 m 的船舶总损 伤的7 0 属于疲劳损伤，疲劳破坏仍然是最主要的问题。m u n s e 等人针对上述研究提供 了相应的s n 曲线，提出了疲劳强度的校核方法。c h c n 等人提出利用测得船舶开口角 隅处的应变来预报船舶疲劳寿命的方法。由于疲劳强度的评估存在大量的随机性和不确 定性，故当时就提出对船舶疲劳强度及寿命的计算和可靠性分析应基于概率论的研究方 法。 2 1 概述 2 1 1 疲劳概述 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j 下和深化。 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”。 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j 。会发生； ( 2 ) 疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部； 基于j b p 规范的船体疲劳分析 ( 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 1 2 疲劳评估方法简介 由于海洋环境载荷的交变特性，船舶最重要的破坏模式之一就是疲劳，而疲劳破坏 在微观层次上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， 船舶疲劳分析方法都是建立在宏观层次上的。在这个层次上，疲劳分析方法可分成3 类： 基于s - n 曲线和p a l 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( 下文简称s - n 曲线法) ，基于p a r i s 裂纹扩展法则的断裂力学方法( 下文简称断裂力学法) 以及建立在概 率思想基础上并与前2 种方法相结合的可靠性分析法( 下文简称可靠性方法) “”。 ( 1 ) s - n 曲线法 s - n 曲线法目前在船舶工程中应用比较广泛，用作用的应力幅与到破坏时的寿命n 之间的关系描述。寿命n 是载荷作用下循环到破坏的循环次数。s _ n 曲线从试验中获得， 通过控制应力幅来获得初始无裂纹( 和具有名义光滑表面) 的实验室式样产生疲劳破坏 所需要的应力循环数。s - n 曲线可以从规范中获得，不同的规范中，提供的s - n 曲线有 所差异。 严格来说，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，通过人为的定义某一状态为“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。 ( 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： k = 盯石石f ( a ，w 1 ( 2 1 ) 其中，f ( a ，w 1 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。 试验表明，材料断裂时的应力强度因子是与试件的厚度有关的，如图2 1 所示。 一般说末，k 随着厚度b 的增加而减小。只有当厚度足够大时，k 才会取得不随厚度 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 继续改变的最小值。满足这一条件的磁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，记为j ，越大，材料的抵抗能力越强；另一方 面，k i c 还与温度有关，温度越低，巧。越小，故应特别注意低温脆断的发生。 图2 1 厚度对k c 的影响 f i g 2 1t h ei n f l u e n c eo f t h i c k n e s so f ik c b 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o ，只要用a + g 来代替真实的裂纹尺寸a ，就可以根据线弹性计算k 。 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占。 一 厂，、1 艿：竺碰i n fs e c f 竺l ( 2 2 ) 加e ll 2 川 因此，若屈服范围较大，5 由上式给出，则用裂纹尖端张开位移颤作为描述材料抗 断裂能力的参量，4 ，需要通过c t o d 的试验确定。 基于j b p 规范的船体疲劳分析 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 x , c 。 另一方面，疲劳裂纹扩展速度公式一般可写为 一d a = ( 赵，r ) (23)dn 、 7 ， 从初始裂g za o 到临界裂纹长度积分，有 了丽d a 柳 ( 2 t ) 砸珂27 删 昭4 可以得到 0 ( 断裂时的循环次数) 。 断裂力学中用以描述裂纹扩展速率别翻v 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。 ( 3 ) 可靠性方法 目前，s - n 曲线法和断裂力学方法在船舶工程中得到了广泛的应用，成为了2 种相 互补充的基本方法。但是，这2 种方法以往都是在确定意义上使用的，也就是说，在分 析过程中，有关的参量都认为是有确定数值的。然而，疲劳是一个随机现象，疲劳裂纹 的萌生和扩展是一个随机过程，构件和结构的疲劳寿命一般取决于材料性能、裂纹萌生 部位的几何形状、应力一应变历史、环境和其他结构寿命期间可能发生的些随机因素。 同样，作用在船体上的波浪力、材料性能以及采用简化模型计算得到的疲劳寿命或裂纹 扩展结果，与实际情况之间也存在随机误差。从本质上讲，影响船体疲劳强度的因素都 具有随机性。载荷的随机性就会导致交变应力的随机性，而由于材料性能的分散性以及 在对材料性能进行测试过程中又会存在不确定因素，因此结构对疲劳的抗力( 疲劳强度) 也是随机的。此外，为了计算结构内的应力，需要采用一定的基本假设和简化模型，这 使得计算结果与结构内的真实应力之间存在系统的和随机的误差。在疲劳累积损伤或裂 纹扩展计算方面也有类似的误差存在。 在疲劳设计和分析中，用确定性的方法不可能对上述各种不确定因素的影响做出客 观的反映，保证结构绝对安全而不发生疲劳破坏是非常困难的，但必须把疲劳破坏的概 率局限在一个合理的、经济的范围以内。因此，有必要将影响结构疲劳寿命的不确定因 素都用随机变量或随机过程来描述，在充分考虑这些不确定因素的基础上，一个结构的 疲劳寿命合格与否，用该结构在服役期内不发生疲劳破坏的概率来衡量，这一概率称为 结构疲劳可靠度。很显然，对于受到大量不确定因素影响的船体结构的疲劳问题，用结 构疲劳可靠性理论束加以研究是非常适当的。在船舶及海洋工程结构物疲劳可靠性分析 中，其研究内容大致可分为5 个部分，即： 大连理工大学硕士学位论文 建立疲劳载荷的概率模型； 建立疲劳强度的概率模型； 疲劳寿命的可靠性预测； 结构系统的疲劳可靠性预测； 结构的模糊疲劳可靠性预测。 目前，主要是将可靠性理论同s - n 曲线法和断裂力学方法结合起来，称为概率s - n 曲线法和概率断裂力学方法。 2 1 3 各方法优缺点分析 s - n 曲线法、断裂力学方法和可靠性方法各有优缺点。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l ，然后全寿命乃= l + 瓦。但这样做，方法上比较复杂，涉及到的因素很多。由于 每种因素都含有不确定性，这样就会导致最后的结果有很大的不确定性或离散度。因而 目前实用的船舶及海洋工程结构物疲劳强度分析还主要是采用s n 曲线法。 虽然疲劳可靠性方法从理论上是最完善的，可以更合理地描述实际结构的各种不确 定因素，更加符合客观事实。但在工程实际中，因缺乏充分的统计数据资料，使得疲劳 可靠性分析中关键的概率模型的建立也存在很大的分散性，这成为阻碍疲劳可靠性方法 在船舶工程实际中推广的重要原因。 2 2s n 曲线法 进行船体结构疲劳评估一般都使用s - n 曲线法，这种方法是以p a l m g r e n - m i n 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，本节将详细讨论s - n 曲线 法的基本原理及相应方法。 2 2 1 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，但工程中最常用的是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 基于j b p 规范的船体疲劳分析 围水平下的损伤度d t 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1 1 1 与结构在该应力范围单一作用下达到破坏所需的循环次数m 之比。假设应力范 围水平共有趸级，则 d = d = 号 ( 2 5 ) 线性累积损伤理论认为，当累积损伤度d l 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： 。= 旆= 7 等铲= 以了等 c z e ， 其中，s 为应力范围。 石( s ) 为应力范围分布的概率密度函数； ( s ) 为应力范围为s 的单一循环载荷作用下达到破坏所需的循环次数； 是所考虑的整个时间间隔内应力范围的总循环次数； d n = n r f s ( s ) d s 是落在区间 s ，s + 豳】内的应力范围循环次数； i 为对所考虑的整个时间间隔的积分。 矗 2 2 2s - n 曲线 ( 1 ) 基于试验的s n 曲线 材料和构件的疲劳性能用应力( s t r e s s ) 或应变( s t r a i n ) 与到破坏时的寿命之间的关系 掐述，即s _ n 曲线，一般用的较多的是应力寿命曲线，这也是多数文献提到s - n 曲线 时的基本含义( 本文提及s - n 曲线时也指此意) ，即 n = n ( s 1 ( 2 7 ) 其中，为疲劳寿命，即结构达到疲劳破坏所需的循环次数； s 为应力范围。 疲劳强度是建立在实验基础上的一门科学，s - n 曲线是在大量试验数据的基础上结 合数学方法确定的。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 据之间又存在着相当大的差别，疲劳强度校核中的一个重要内容就是选择恰当的s - n 曲 线。文献 1 0 对各船级社规定的与热点应力法相对应的s - n 曲线进行了比较，发现仅这 大连理工大学硕士学位论文 一个部分的差别就导致疲劳寿命预报值相差2 6 倍。由于s n 曲线基于试验，是与应力 水平相匹配使用的，而各船级社用于得到应力的方法( 包括载荷的计算、应力的计算、 应力的合成等) 并不相同，所以不能简单认为s - n 曲线数据的羞异导致两个船级社的寿 命预报值相差2 6 倍，但它要说明的s - n 曲线的确定的重要性的观点是正确的。 影响s n 曲线的因素很多，其中包括： 材料本身的特性，如屈服强度、破断强度、材料韧性等； 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； 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 况都应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 很长的时间，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， 检验是否要作适当的修改。这样做主要基于如下四个理由： 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； 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； 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； 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，s n 曲线中的误差并 不是最主要的矛盾。 ( 2 ) 双对数坐标下的s n 曲线 大量的研究结果表明，s - n 曲线可用下式来表示： n s “= a( 2 8 ) 其中，m 、a 为疲劳试验得到的参数。 对上式等号两边取对数，得 1 9 n = l g a m l g s ( 2 9 ) 这就是常用的s - n 曲线的双对数线性模型。 一般说来，在给定的应力范围s 下，参数加的离散性不大，可看作是确定的值，而 疲劳寿命n 和参数a 则应当作为随机变量处理，通常认为n 服从对数正态分确。由于 服从对数正态分布，也就是l g 服从正态分布，则由式( 2 9 ) 中1 9 4 和l g 的关系可知， 基于j b p 规范的船体疲劳分析 l g a 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。关于p _ s n 曲线的详细论述可见文献 1 8 等，这里只给出有 关的结果，其表达式为： l g n = l g a m l g s ( 2 1 0 ) 其中，l g a 。为存活率为p 时l g a 的值。因l g a 为正态分布，可转换为标准正态分布， 则l g a 。的估计值可表示为： 1 9 4 = l g a + u p s i 叫 ( 2 1 1 ) 其中，l g a 和 。月分别为i g a 的均值和标准差； “为标准正态偏量。 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 ，相应地“。一2 0 ， 这时p - s - n 曲线为： l g n = i g a 一2 - m l g s ( 2 1 2 ) 如果s 和n 的关系在形式上仍用式( 2 9 ) 表示，则此时a 的值由下式决定， l g a = l g a 一2 s ( 2 1 3 ) 根据m 的取值不同，s - n 曲线的描述一般可分为三种，在对数坐标系中，它们分别 是一段直线、二段直线和三段直线，如图2 2 所示。 在工程中用的最多的是一段式和两段式，因为三段式的结果与两段式的结果相当接 近，i a c s 疲劳工作小组也建议统一使用两段式直线模型。 一段式的s - n 曲线一般用式( 2 8 ) 或式( 2 9 ) 的形式表达，二段式的s - n 曲线的一般 表达式为： 1 n 船s ”，：= an 胜 屹n (214)oc n n o 1 船，： u 。钏 其中， c - - o ( a n o ) 咖 ( 2 1 5 ) 或者表达为双对数形式： lgn=；lga-mlgslgn l g c - - r l g sn i 麓 亿 l = 0 一 大连理工大学硕士学位论文 l o g s ( a ) 段直线 其中， l o 硝 ( b ) 二段直线 图2 2s - n 曲线的三种描述方法 f i g 2 23t y p e so fs - nc u r v e l o g s s n q 1 0 9 n ( c ) 三段直线 l g c = i g 口+ 考( 1 9 彳一l g2 v q ) ( 2 1 7 ) 实际中常取r = 2 m 一1 或，= m + 2 ，= 1 0 7 或n o = 5 x 1 0 6 ( 3 ) 各船级社所使用的s - n 曲线 各国船级社使用着不同的s - n 曲线。在造船中应用最多的是英国能源部( u kd e n ) 发 布的组曲线( d e n 曲线) 或在此基础上英国健康与执行委员会( h s e ) 给出的一组基本设 计s - n 曲线( 修正d e n 曲线) 。有的直接选用( 如a b s ，b v ，c o s 等) ，有的是做一定的修 正( 如d n v ) ，也有船级社使用国际焊接学会( i i ) 给出的s n 曲线( 例如g l ) ，或者使用 其他的s n 曲线( 如n k ) 。 修正d e n 曲线和1 1 w 曲线都是二段式双对数直线形式，如式( 2 1 4 ) 或( 2 1 6 ) 所示。 其中，m = 3 ，= 5 ，n o = 1 0 7 ( d e n 曲线) 或r ，= 5 x 1 0 6 ( i i w 曲线) 。 如果定义n = 2 x 1 0 6 处的s 值为参考疲劳强度，记作品，则上述二组曲线又可以采 用下式来描述： 基于j b p 规范的船体疲劳分析 - 川聊培一如胁 其中，m 为s 州曲线的斜率倒数，优= ；菇；麓； s r 为参考疲劳强度，对应于n = 2 x 1 0 6 时的疲劳强度值，单位m p a ； q ，呸为常数，对于d e n 曲线，q ：7 ，呸：；1 9 5 ； j 对于h w 馘a i = 6 + 1 9 5 , 嘭考1g ( 李 。 于是，每根s - n 曲线只需要给定一个参考疲劳强度。修正d e n 曲线的参考疲劳强度 值如表2 1 所示：i i w 曲线的参考疲劳强度值如表2 2 所示。 为了对各船级社所用的s - n 曲线做一比较，表2 3 给出了几种s - n 曲线中的c 曲线 或相当c 曲线在不同n 信下的s 信。 表2 1 修正d e ns - n 曲线的参考疲劳强度( m p a ) t a b 2 1r e f e r e n c ef a t i g u es t r e n g t h & f o fd e ns - nc u r v e s ( m p a ) 表2 2i i ws - n 曲线的参考疲甜强度疋( m p a ) t a b 2 2r e f e r e n c ef a t i g u es t r e n g t h s r f o ri i ws - nc u l w e $ ( m p a ) n1 e + 0 41e + 0 51 e + 0 62 e + 0 65 e r 0 61 e + 0 75 e + 0 71 e + 0 8 大连理工大学硕士学位论文 针对修正的d e n 曲线，最近提出用“类型系数”( c l a s s i f i c a t i o n f a c t o r ) ，将一组s - n 曲线统一在d 曲线上。各s n 曲线的类型系数见表2 4 。这与用参考疲劳强度的做法是 一致的。 表2 4s - n 曲线的类型系数 t a b 2 4c l a s s i f i c a t i o nf a c t o r so f s - nc u r v e s 2 3 应力范围的长期分布 基于s - n 曲线和线性累积损伤理论的船舶结构疲劳强度分析必须要考虑应力范围的 长期分布问题。应力范围在结构全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 时间间隔内有代表性的分布看作是应力范围的长期分布。这一时间间隔称为疲劳载荷谱 的回复期。般采用如下两种方法描述应力范围的长期分布