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(哈爾濱工程大學 船舶與海洋工程力學研究所,哈爾濱 150001)

由于工作環(huán)境的原因，疲勞破壞是船舶結構破壞的主要破壞形式之一。各船級社的疲勞損傷計算方法以及現(xiàn)有的直接計算法，均基于Miner線性疲勞損傷理論。由于船體結構比較復雜，常常不能在已有的S-N曲線中找到可直接比擬的類型，此時需要采用熱點應力法來進行這些部位的疲勞評估。熱點處的應力一般采用插值方法進行計算，由于熱點區(qū)域應力梯度比較大，不同的插值方式求得的熱點應力值會不一樣，而且可能會有很大的差別，對疲勞損傷產生很大影響。新公布的《散貨船、油船協(xié)調共同規(guī)范》(HCSR)中對應力插值方式做了更細致的要求。本文將對已知的一些插值方法，包括JIP FPSO 、OSAWA、CSR-OT、CSR-BC、DNV、HCSR(2012-07月版本和12月版本)方法以及實體結構進行研究比較，驗證HCSR插值方式的合理性。

1 熱點應力插值方法簡介

1)JIP FPSO_A方法。JIP FPSO_A代表一般方法，應力閱讀點取兩個點(0.5 t和1.5 t)，利用表面應力線性外插到熱點處，選取±45°范圍內的主應力。

2)JIP FPSO_B方法。代表簡化方法，應力閱讀點只取一個點(0.5 t)[1]。

3)DNV方法。對于一般熱點采用插值方式同JIP FPS_A方法。對于十字相交位置，插值方式是DNV CN30.7 Method (Lotsberg方法)。應力閱讀點為

式中：xwt——焊腳長度。

熱點應力計算方法為

σhotspot=[σmembrane(xshift)+σbending(xshift)]×0.6β

(1)

式中：σmembrane(xshift)——偏移位置的中面應力；

σbending(xshift)——偏移位置的彎曲應力；

β——修正因子[2]。

4)CSR_OT方法。熱點應力位于

其中：xwt——焊腳長[3]。

5)CSR_BC方法。一般熱點插值方式同JIP FPSO_A，散貨船的加強板十字連接是在JIP FPSO_A方法基礎上加一個修正系數(shù)λ[4]。

6)HCSR方法。對于一般熱點，應力參考點取為據(jù)熱點t1/2處，對于十字相交位置與DNV方法一樣，只是β系數(shù)不一樣。應力閱讀點為

熱點應力計算方法為

σhotspot=[σmembrane(xshift)+σbending(xshift)]×0.6β

(2)

HCSR 07月版本和12月版本的應力讀取差別如下。

7月版本應力讀取方式見圖1，選取線A-A兩邊的單元分別計算；12月版本的規(guī)范規(guī)定應力讀取方法見圖2，選取線A-A兩端單元應力的平均值作為應力閱讀點的應力。

圖1 7月版本規(guī)范應力讀取方式

圖2 12月版本規(guī)范應力讀取方式

7)OSAWA方法。該方法的關鍵點在于應力閱讀點，應力閱讀點仍然取0.5 t和1.5 t，但是從偏離結構交線的修正點開始計算。

應力閱讀點為

(3)

式中：th——熱點區(qū)域主板厚度，偏移值Δ為：

(4)

符號代表含義見圖3。

圖3 參數(shù)示意

等價于實體單元應力殼元修正應力計算,在加強板十字連接的地方需要修正，對于一般細部，跳過此步驟。

2 插值方式的研究

2.1 研究思路

1)針對兩種不同的結構形式(十字相交和焊趾結構)建立簡化模型(包括實體和殼體兩種類型)，施加兩種不同的載荷(集中力220 N，面壓力0.2 MPa)，應用多種不同的插值方式進行計算并以實體單元計算結果為基準進行比較。

2)選擇一艘散貨船和一艘油船，根據(jù)HCSR的疲勞載荷規(guī)定進行加載分析，對油船底邊艙下折角，散貨船肋板焊趾處和底邊艙下折角，分別對不同的裝載模式下的典型設計波結果進行提取，所選設計波見表1。

表1 所選用的設計波

計算多種插值方式的計算結果，進行對比分析，最后對DNV方法、HCSR07月版方法、HCSR12月版方法，以CSR為基準，統(tǒng)一到D級S-N曲線上進行插值方式的比較。

2.2 選取模型

兩種簡化模型及載荷狀態(tài)見圖4、5，所選實船模型見圖6。

圖4 焊趾結構模型及受力示意

圖5 十字相交模型及受力示意

圖6 熱點位置

3 計算結果及分析

3.1 簡化模型計算結果

十字相交結構計算結果見表2，焊趾結構計算結果見表3，簡化模型焊趾長度均取5 mm，應力單位均為MPa。

表2 十字相交結構計算結果

表3 焊趾結構計算結果

分析計算結果發(fā)現(xiàn)，對于十字相交位置，各計算方法差別很大。HCSR方法計算結果小于實體單元計算結果，并且計算結果低于實體計算結果約15%；對于CSR-OT、DNV方法其計算結果均與實體計算結果最為接近；由于HCSR(7月版)方法、DNV方法對應力閱讀點定義偏移距離增加了焊趾寬度，所以應力計算結果偏??；JIP FPSO_A和JIP FPSO_B是針對一般熱點區(qū)域的插值方式計算的結果，高于實體計算結果，是最為保守的計算方法。

對于一般焊趾結構，由于HCSR(7月版)、OSAWA與JIP FPSO_B方法計算結果一致，DNV方法與JIP FPSO_A計算結果一致；HCSR(12月版)在承受集中力時計算結果略小于實體外，其它計算結果均大于實體單元,且HCSR方法計算結果與實體最為接近。對于兩個版本的HCSR方法，在簡單受力狀態(tài)下，12月版本計算結果要小于7月版。

3.2 實船計算結果

3.2.1 油船計算結果

油船滿載模式下的計算結果以及與CSR-OT的比值見表4、5，油船正常壓載模式下的計算結果以及與CSR-OT的比值見表6、7，焊趾長度均取為10 mm。以下計算結果均為與焊縫垂直線±45°范圍內的主應力計算結果，而且均為兩主應力中的較大者，單位均為MPa。

表4 滿載模式下插值計算結果

表5 滿載模式下計算結果與CSR比值

表6 正常壓載模式下插值計算結果

表7 正常壓載模式下計算結果與CSR比值

通過比較發(fā)現(xiàn)，對于油船十字相交結構，JIP FPSO_A、JIP FPSO_B以及OSAWA方法計算結果與CSR相比計算結果較大，這與上一節(jié)簡單模型計算結果相符合；其中JIP FPSO_A計算結果超過CSR方法0.8倍，而對于DNV、HCSR方法計算結果要小于CSR方法，其中DNV方法更加接近CSR方法，而HCSR方法要小10%。

3.2.2 散貨船計算結果

散貨船肋板趾端在4個裝載模式下的計算結果見表8，底邊艙下折角結構計算結果以及比值見表9。其它插值方法與CSR比值的平均結果見表10。以下計算結果均為與焊縫垂直線±45度范圍內的主應力計算結果，且大部分為主應力中的較大者，其中十字相交結構均勻裝載模式為±45°范圍外的主應力比較大。

表8 焊趾結構4個裝載模式下計算結果

對比計算數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，對于散貨船焊趾結構，由于計算方法的相同性，JIP FPSO_A、DNV以及CSR方法的計算結果相同；其它插值方式總體小于焊趾結構，個別工況下比CSR計算結果偏大，其中OSAWA方法與其結果比較接近，而HCSR的兩種計算方法比CSR方法計算要小超過10%。對于十字相交結構，JIP FPSO_B方法和OSAWA方法計算結果相對比較接近CSR方法，而JIP PFSO_A方法要超過CSR方法25%，而DNV和HCSR方法計算結果要小于CSR方法，且差別較大。

3.3 統(tǒng)一到D級S-N曲線后的結果

由于特定的插值方法跟特定的S-N曲線對應，所以單純主應力比較不能反映插值對疲勞的影響，本節(jié)將對DNV方法、HCSR方法(分為7月版和12月版)、實體插值方法(IIW方法)統(tǒng)一到D級S-N曲線進行比較。表11為將一組S-N曲線統(tǒng)一到D級S-N曲線上的類型系數(shù)[6]。表12為油船底邊艙下折角統(tǒng)一到D級S-N曲線后結果，表13為散貨船熱點類型統(tǒng)一到D級S-N曲線后的結果。

表11 類型系數(shù)

注：HCSR統(tǒng)一到D曲線選用系數(shù)為1.12。

表12 油船十字相交結構計算結果

表13 散貨船兩種結構計算結果

統(tǒng)一到D級S-N曲線后，計算結果顯示HCSR方法要高于DNV方法，但是計算結果要小于CSR方法，2012-07月版本結果要更接近于CSR方法；對于油船兩個版本的HCSR方法計算結果相差很小，但是各個裝載模式下各個設計波計算結果顯示2012-12月版本計算結果要小于2012-07月版本；而對于散貨船，從各個裝載模式及工況下2012-12月版本計算結果要小于2012-07月版本，但是兩者計算結果偏差較大，對于焊趾類型，平均計算結果12月版本要小9.56%，十字相交結構要小5.90%。

4 結論

1)通過簡單模型計算結果看出，JIP FPSO_A、JIP FPSO_B計算結果與其它插值方式差別較大，而各個船級社方法差別不大，尤其是當統(tǒng)一到一條S-N曲線后結果更為接近；船級社規(guī)范插值方法尤其是HCSR方法與實體單元計算結果更為接近。

2)實船計算結果與簡單模型計算結果趨勢一致，HCSR方法計算結果均小于CSR方法，平均小18%，而且統(tǒng)一到一條S-N曲線后結果比較接近，但是結果仍小于CSR方法，平均小8.6%，所以舊的規(guī)范法方法更保守。

3)對于簡單模型，兩個版本的HCSR方法差別較大，但是對于復雜受力狀態(tài)的實際船舶來說，兩者計算結果差別不大，HCSR2012-12月版本計算結果均小于7月版本，平均小5.5%。

4)對于JIP FPSO_B方法以及OSAWA方法，對于十字相交結構其計算結果高于CSR方法，而焊趾結構計算結果要小于CSR 方法；而DNV方法與HCSR方法計算結果比較接近。

[1] Stephanie Maherault-Mougin,Bureau Veritas.Description of hot spot stress extrapolation procedures[R].DNV.2010.

[2] BAL G.bergan.Fatigue assessment of ship structure[M].DNV,2010.

[3] 中國船級社.雙殼油船共同結構規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2006.

[4] 中國船級社.船體結構疲勞強度指南[S].中國船級社上海規(guī)范研究所,2007.

[5] 蔣志巖,船舶結構疲勞評估及其應力分析方法研究[D].大連：大連理工大學,2004.