甄春博，任慧龍，馮國慶，李陳峰

(哈爾濱工程大學多體船技術國防重點學科實驗室，黑龍江哈爾濱150001)

小水線面雙體船具有耐波性優(yōu)良等特點，在軍用和民用領域具有廣闊的應用前景［1-2］.該型船主尺度一般比較小、外形特殊，所受波浪載荷復雜，且由于采用大量高強度鋼，故整體剛度較常規(guī)船偏弱［3-5］.與常規(guī)單體船不同的連接橋結構，受力情況明顯不同于常規(guī)船型，其疲勞強度問題顯得特別突出.目前對其疲勞問題的研究大都采用依照規(guī)范的理論分析方法［6］.

疲勞評估的一個關鍵問題是選取合適的S-N曲線，對于小水線面雙體船連接橋結構，現有規(guī)范沒有合適的S-N曲線［7］.為了更合理地評估疲勞強度，用模型試驗的方法確定該部位的S-N曲線特性非常必要.

目前，在船舶與海洋工程領域，疲勞試驗主要集中于特定鋼材或典型焊接節(jié)點型式的標準試件，針對實尺度結構模型的疲勞試驗很少［8］.因此，針對小水線面雙體船連接橋部位的特殊結構，制作實尺度結構模型，對被研制的結構部件在模擬真實載荷及環(huán)境下進行疲勞試驗時，不僅能正確地評價結構部件的疲勞強度和疲勞特性，而且還能驗證疲勞分析理論計算的預期效果，對現有評估方法進行修正.

本文針對某型小水線面雙體船，采用全船有限元計算方法，確定了疲勞問題嚴重的部位.根據受疲勞影響區(qū)域的結構情況，設計典型節(jié)點疲勞強度試驗模型.根據該船航行區(qū)域經常出現的海況確定載荷水平，進行典型節(jié)點實尺度結構模型疲勞強度試驗，獲取了典型節(jié)點在不同載荷水平下的疲勞壽命值，在此基礎上得到S-N曲線特性，并對船體典型節(jié)點部位進行疲勞強度評估.

1 試驗模型設計

小水線面雙船體連接橋結構強度最弱且受力和變形最大的部位是支柱體上端和連接橋的根部.研究表明，橫浪工況下的疲勞損傷占主導地位［9］.在此工況下，分析雙船體所受主要載荷橫向對開力引起的應力分布情況，選取應力集中問題嚴重的船中Fr48橫艙壁和Fr44強框架部位作為疲勞試驗節(jié)點，如圖1所示.

圖1 疲勞試驗部位Fig.1 Fatigue test position

對上述節(jié)點結構截取模型，模型尺寸均為長×寬 × 高 =2.4m ×0.6m ×1.6m.試驗加載方向模擬橫向對開力作用方向，試驗時的模型應力分布與整體計算時該部位的應力分布一致，模型制作材料選取、節(jié)點處焊接工藝、焊接形式采取和實船相同.加載后的模型有限元計算所顯示的熱點部位與全船分析一致，如圖2所示.

圖2 有限元模型應力分布Fig.2 Stress distribution of the FE model

2 試驗情況概述

Fr44部位模型共做3個，分別選取3個載荷工況;Fr48部位模型共做6個，分別選取4個載荷工況.試驗設備采用MTS試驗系統(tǒng)和DHDAS_3817N動態(tài)信號采集分析系統(tǒng).疲勞試驗前，進行了焊趾附近的靜應力分布測試，找出熱點位置.電阻應變片粘貼在焊趾根部.試驗采用應力比R=－1的正弦波.疲勞破壞標準選取穿透壁后的循環(huán)次數.試驗安裝圖如圖3所示.

圖3 模型試驗圖Fig.3 The photograph of the model test

3 加載載荷計算

確定加載載荷時，在同時考慮本船航行區(qū)域中出現概率較大的海況以及在該海況下的損傷情況下，確定了典型海況，并求出每個海況下等效應力范圍.由于此等效應力范圍對應破壞時循環(huán)次數較大，綜合考慮試驗時間情況，在損傷等效的前提下最終確定了加載水平，具體如表1所示.

表1 加載載荷計算Table 1 Calculation of loading load

4 疲勞試驗結果

通過試驗發(fā)現，Fr48部位模型破壞部位在下甲板下部縱骨穿越橫艙壁處，Fr44部位模型破壞部位在下甲板上部縱骨穿越強框架連接處.計算應力范圍時選取與裂紋擴展方向垂直的45°范圍內的主應力.試驗數據如表2和3所示.

表2 Fr48部位模型試驗結果Table 2 The testing results of the Fr48＇smodel

表3 Fr44部位模型試驗結果Table 3 The testing results of the Fr44＇smodel

5 S-N曲線擬合

根據實踐經驗，對于中等壽命區(qū)內各級應力水平，對數疲勞壽命都遵循正態(tài)分布;在雙對數坐標系下，中值S-N曲線和P-S-N曲線均為線性關系.此時，正態(tài)母體平均值μi和母體標準差σi均與lg Si成線性關系［10-11］.本文采用極大似然法得到試驗模型的S-N曲線特性.

對于Fr48部位試件，以應力水平Sd下的q個對數疲勞壽命觀測數據的平均值和標準差分別作為該應力水平下對數疲勞壽命母體分布的平均值和標準差的估計量［10］，任一應力水平Si下的對數疲勞壽命的母體平均值估計量和標準差估計量可表示為

式中:a1、a2是待定常數.

似然函數為

將式(1)、(2)代入式(3)，依據極大似然原理可解出a1和a2，進一步可得任一存活率的對數安全壽命為

在船舶與海洋工程的疲勞可靠性分析中，一般采用存活率 p=97.72%的 P-S-N曲線，此時up= －2.

對于Fr44部位試件，由于每個應力水平只做了一個試件，上述方法已不適用，此時可用極大似然法得到存活率p=50%的中值S-N曲線［12］.假設在任意應力范圍下對數疲勞壽命的方差均為，參照規(guī)范S-N曲線采用定斜率m=3.似然函數為參數lg A的估計值為

依據如上理論，對Fr48部位試件數據進行處理，采用FORTRAN90程序解得系數a1=－4.155，a2=0.393.最終求得存活率p=97.72%時的S-N曲線為

對Fr44部位試件數據進行處理，求得中值S-N曲線:

分析上述曲線以及規(guī)范中曲線可知，試驗所得曲線位于規(guī)范［7］中曲線C和曲線D之間，并且和C曲線較為接近.

6 實船疲勞壽命計算

依據CCS規(guī)范，應用熱點應力法對焊接節(jié)點進行疲勞強度分析時采用E曲線［7］，利于譜分析方法對試件所處位置典型節(jié)點分別采用E曲線和試驗所得曲線進行疲勞壽命計算，所選節(jié)點位置如圖4所示.

圖4 疲勞校核節(jié)點Fig.4 Structural nodes for the fatigue check

設計壽命期的疲勞累積損傷度D和壽命Tf按下式計算:

式中:Td為該船設計壽命，為20a;其余各參數意義參見文獻［9］，疲勞壽命計算結果如表4所示.

表4 實船疲勞壽命計算Table 4 Resu lts of the SWATH ship＇s fatigue life

計算結果表明，采用試驗所得S-N曲線計算時所得疲勞壽命較大，按現有規(guī)范選取連接橋結構部位S-N曲線是偏于保守的.

7 結束語

按實際尺寸對船舶結構節(jié)點進行疲勞強度試驗，其工裝設計、模擬實船受力的加載模式、加載載荷水平的確定都是試驗成功與否的關鍵所在.本文成功進行了小水線面雙體船連接橋結構疲勞強度試驗，并得到了連接橋部位S-N曲線特性，驗證了船舶結構節(jié)點實尺度模型疲勞試驗的可行性.

對實船計算表明，依據現有規(guī)范的S-N曲線的對雙體船進行疲勞強度評估，結果是偏于保守的.依據本次試驗得到S-N曲線特性對于雙體船等多體船連接橋結構的疲勞強度評估具有參考意義，并對其結構設計提供了一定的參考依據.

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