2019基于谱分析的船体结构疲劳强度评估指南

中国船级社基于谱分析的船体结构疲劳强度评估指南2018生效日期：201871北京PAGEPAGE10目录TOC\o"1-2"\h\z\u第1节一般规定 3适用范围… 3分析流程… 3疲劳强度校核节点 31.4定义… 7第2节工况及载荷… 9装载工况… 9计算工况… 9水动力分析… 9舱内液体载荷… 10集装箱载荷… 10矿砂载荷… 11边界条件… 13第3节结构分析及应力传递函数… 14计算目的… 14整船有限元模型. 14细化模型. 14应力传递函数… 14第4节疲劳强度评估… 16应力谱及应力范围分布… 16应力修正系数… 17S-N曲线 18疲劳损伤计算… 18接受衡准… 19第1节一般规定适用范围LNG（XXXX（NA表示北大西Sc34，Y（年20，5、30、540。除另有规定外，本指南内容不作为入级的强制要求。分析流程Palmgren‐Miner线性累积损伤理论计算结构的疲劳损伤，并评估结构的疲劳强度。疲劳谱分析的流程分为三部分：1）2）结构分析：根据波浪载荷，通过结构分析得到应力传递函数；后得到给定装载下的结构的损伤，对各装载下的损伤求和后得到结构在设计寿命中的总损伤。水动力分析：计算波浪载荷水动力模型确定装载1.2.3水动力分析：计算波浪载荷水动力模型确定装载计算应力谱，并计算应力分布计算应力谱，并计算应力分布营运环境和设计寿命结构分析：得到应力传递函数结构模型计算总损伤计算总损伤D计算结构损伤DijkS‐N计算结构损伤DijkS‐N曲线疲劳强度校核节点1.3.21.3.4析和疲劳热点评估的结果增加疲劳评估节点。LNG（32（1）1.3.2（：1）货舱中部横框架折角；货舱底纵桁、甲板纵桁、舷侧纵桁与横舱壁交点；凸形甲板后端肘板趾端；参与总纵强度的甲板室侧壁上门的开孔角隅。图1.3.2（1）货舱结构疲劳校核区域图1.3.2（2）凸形甲板后端肘板和甲板室开孔（1.33（1）33（4：1）（包括舱口围顶板角隅；第一货舱靠船首端上甲板舱口角隅；（包括舱口围顶板角隅；图1.3.3（1）机舱前端舱口角隅1.3.3（2）(上甲板角隅处放大)图1.3.3（3）船中区域货舱舱口角隅图1.3.3（4）前岛后端货舱舱口角隅（部分示意图见图1.3.（1和图13.4（2：1）最尾货舱舱口角隅；图1.3.4（1）纵舱壁与内底板连接处（货舱长度中部）图1.3.4（2）内底板与底凳连接处（货舱宽度中部）定义（m,由首柱前缘量至舵柱后缘的长度;对无舵柱的船舶,舵杆中心线的长度;96%,97%。对于无舵杆的船舶（如设有全回转推进器的船舶，L97。（m（m甲板转角为圆弧形的船舶，则由平板龙骨上缘量至横梁上缘延伸线与肋骨外缘延伸线的交点。（m（m：在船长中点处，由平板龙骨上缘量至相应装载工况下水线的垂直距离。CbCb由下式确定：Cb

LBd式中：——相应于夏季载重线吃水时的型排水体积，m3；L——船长，m;B——船宽，m；d——吃水，m。最大服务航速M（R）所保持的最大航速。坐标系统除非特别说明，本指南使用如下的右手坐标系（48原点：船舶中纵剖面，船长尾端和基线相交处；X轴：纵向轴，向船首为正；Y轴：横向轴，向左舷为正；Z轴：垂向轴，向上为正。X90度为横浪从右舷向左舷传播，10度为迎浪。图1.4.8参考坐标系第2节工况及载荷装载工况LNG2.1.10.85的航行系数。不同船型各装载工况时间分配系数 表2.1.1船型均匀满载出港正常压载出港薄膜型LNG船0.450.40集装箱船0.650.20矿砂船0.50.35**如有风暴压载，则其与正常压载的时间分配系数均为0.175。计算工况疲劳谱分析计算工况包括静态工况和动态工况两类。正。作用在有限元模型上的静载荷包括舷外水及舱内液体静压力，船体结构及货物的重力。应一个由浪向角和波浪频率确定的规则波。水动力分析应采用三维势流程序进行水动力分析，计算船舶在波浪上的响应。体外壳形状及船舶的浮态（吃水、纵倾、横倾。船的质量分布，水动力分析中的质量模型可基于上述全船有限元模型。当采用简化质量模型时，模型也应能准确模拟实船质量特性（质量、质心及质量分布情况。0‐360度范围，最大浪向间隔为30度；频率应考虑0.2‐1.8弧度/秒的范围，最大频率间隔为0.1弧度/秒。75%的最大服务航速。定状态后的时间历程进行转换。水动力分析得到的结果包括波浪动压力和运动（加速度）到外壳上，惯性力（包括由于横摇、纵摇运动引起的重力加速度在水平方向上的分量）通过加速度场和质（（水，矿砂。舱内液体载荷x y 根据水动力分析结果计算液舱型心的合成加速度矢量a2a2a212x y L x y 算参考点。计算出在该矢量的方向上，计算点至参考点的距离hp（见2.4.1：L x y Lt/m3L

p

ha2a2a212，Nm2h——加速度合成矢量方向上压力计算点距离液舱压力计算参考点的距离，m；x y ——合成加速度矢量，a2a2a212x y ——合成加速度矢量，

ms2；xyzams2ams2ams2xyz图2.4.1舱内压力计算集装箱载荷（矿砂载荷矿砂静压力由矿砂产生的静压力Pbs，应取为：PgKzzkNm20bs C C CC式中：——矿砂密度，t/m3CKC——系数，取为：CKcos2(1sin)sin2，对内底、横舱壁和纵舱壁、底凳、垂直顶凳；CKC0，对上甲板、倾斜顶凳和顶凳水平板；（°；（°35；z——计算点高度，m；zC——基线到载荷计算点对应的矿砂上表面的高度，m，取为：zChDBhChDB——双层底高度，m；hC——矿砂上表面有效高度，m。矿砂动压力动载荷工况中，由矿砂产生的动压力Pbd，应取为：对于zzC，P

xx0.25ayyKazz，

kNm2zzC

bd C

X G Y G CZ C Pbd0式中：x，y，z——计算点的坐标；xG，yG——货舱的形心的x向和Y向坐标；aX，aY，aZ——货物重心处的加速度；对于装满（即VFull）的货舱，货物重心取舱室形心，对于未装满的货舱，垂向高度zG按下式计算：zGhDBhCcl2；hCcl——在船宽方向的中间位置的矿砂上表面有效高度，m；矿砂剪切载荷zzC2.6.12.6.2对于静载荷设定：2.6.3（2）的定义由于重力作用于纵舱壁斜板和底凳斜板的静剪切载荷。对于动载荷设定：以下的动剪切载荷压力：sd2.6.3（；sx2.6.3（；bsdy2.6.3（；bsxbsyX、Y2.6.3（。倾斜纵舱壁和底凳斜板上的静剪切载荷bss（1KCzP g ，kNm2bss C

tansd（1KCzP a ，kNm2

bsd C

tan由纵向加速度作用于内底板产生的纵向方向（向艏为正）的动剪切载荷Pbsdx，应取为：P 0.75azz，kNm2bsdx Cx C由横向加速度作用于内底板产生的横向方向（向左舷为正）的动剪切载荷Pbsdy，应取为：P 0.75azz，kNm2bsdy Cy CX、Y加速产生的摩擦力。任意斜板上的摩擦力按以下要求计算：1）板的水平方向：P 0.75azzcoscos0.75azzcoscos

，kNm2bsx Cx C x Cy C yxX方向的夹角，yY方向的夹角。2）板的垂直内底方向：P 0.75azzsin0.75azzsin

，kNm2bsy Cx C x Cy C y式中：x——斜板水平方向与X方向的夹角，y——斜板水平方向与Y方向的夹角。边界条件31%2%。2.7.2所示：1，约束横向线位移；2，约束三个方向线位移；34，约束垂向线位移。2.7.2边界条件示意图第3节结构分析及应力传递函数计算目的2节的载荷计算热点应力，并插值得到应力传递函数。结构分析采用整船粗网格模型结合局部细化模型的三维有限元方法计算细化区的热点应力。整船有限元模型LNG构。加强筋结构及主要构件的面板。1.07。备的实际质量分布。可以用质量单元模拟设备、集装箱或的质量，但应与船体结构有效连接，以合理传递相应载荷，且不应改变船体结构的刚度。细化模型56节。边界条件从整船有限元模型得到。（如舱口角隅1取自由边上的应力。应力传递函数（x，y，xy55节。12传递函数：tt

t

t

2 Hmax

x x y y2

x x y 2

2t xy xy 式中：——波浪的频率，rad/s；t——时刻，计算时在整个波浪周期内搜索，即t0:x,y,zx,y,xy各应力的相位，rad。

2；由于应力分量结果与装载、浪向角和频率有关，因此应力传递函数也是这三个变量的函数。对于自由边区域，读取梁单元（3.3.3）的轴向应力作为应力传递函数。第4节疲劳强度评估应力谱及应力范围分布1.1.2选定的环境条件和设计寿命，确定疲劳分析的波浪散布图，及各海况持续的时间。（3.4.2）S如下：S

H,T

,,L

|,L2

|

,T12Vcos e S Z o

o S Z g式中：H——应力传递函数，见3.4.2；S——波浪谱；e——遭遇频率，按下式计算：2V e

cos ； ——波浪频率；V——计算航速，见2.3.5；HS——海况的有义波高；TZ——海况的平均周期；——浪向角；Lo——装载工况，考虑表2.1.1所定义的各装载工况。算：2m f|H,T,,Ln式中：——计算的主浪向；

s e02

e S Z o e——与主浪向的夹角；2fs

2

1fs

kcos2；S——应力谱；e——遭遇频率；HS——海况的有义波高；TZ——海况的平均周期；Lo——装载工况。应力谱的根方差σ，和平均周期，根据如下公式得到:m0σm0m0m2Tm0m2式中：m0——应力谱的零阶矩；m2——应力谱的二阶矩。认为应力范围S的分布服从Rayleigh分布，其概率密度函数g为：S S2 gSσ2exp2σ2 式中：S——应力范围；σ——应力谱的根方差。（布的持续时间，Tijk向角，其应力循环次数按下式计算：s；

NTijk

T 31.557x106Lppp；ijk ijkL——设计寿命（年；pi——第i个装载在整个设计寿命中的占比，见表2.1.1；pj——第j个海况在整个散布图中的占比；pk——第k个浪向角在所有浪向中的占比，见2.3.4；Taijk——所计算的装载、海况和浪向组合下的应力的平均周期，s。应力修正系数按如下方法计算平均应力修正系数：1）对于焊接节点：f min0.850.3mean

S,

mean0mean

max(0.7,0.85

S), 02）对于母材自由边：

mean meanf min0.80.4mean

S,

mean0mean

max(0.6,0.8

S), 0式中：mean——所计算装载的平均应力；S4.1.4。

mean mean按《船体结构疲劳强度指南》方法对应力范围进行板厚修正。S‐N曲线34S‐N曲线。疲劳损伤计算（4.4.1：1）对于各应力范围分布g(S)dDdDdnSNTgSdST/

gSdSNS NS NS式中：NT——该应力分布中包含的应力循环的次数，见4.1.5；T——该应力分的持续时间，见4.1.5；Ta——平均周期，见4.1.4；NS——该应力范围下结构的疲劳寿命，根据选取的S‐N曲线确定；gS——应力范围的概率密度函数，见4.1.4。2）对于给定的装载、海况及浪向角（对应一个应力分布）下的损伤Dijk，按下式计算：D Tijk T

gSNSdSa0对所有浪向角算得的损伤进行求和得到某一海况的损伤。对所有海况算得的损伤进行求和得到某一装载工况下的损伤。I J I J Di1j1k1式中：Dijk—给定装载工况、海况及浪向角下的结构损伤；I——装载工况的数量；J——海况的数