李旭

(中國船級社技術(shù)研究開發(fā)中心，北京100007）

基于HCSR 與CSR 規(guī)范的散貨船艙口角隅疲勞計算方法

李旭

(中國船級社技術(shù)研究開發(fā)中心，北京100007）

對于疲勞載荷的概率水平,HCSR規(guī)范調(diào)整較大,由原來CSR規(guī)范的10-4調(diào)整為現(xiàn)在的10-2,有關(guān)研究［3-5］表明構(gòu)成疲勞累積損傷的概率水平主要集中在10-5以下的概率水平,其中10-2對疲勞累積損傷貢獻最大,見圖1?；谏鲜鲈?HCSR規(guī)范選取10-2作為疲勞載荷的概率水平。

圖1 概率水平p與累積損傷的關(guān)系

1.2 應(yīng)力范圍長期分布

HCSR與CSR-BC規(guī)范對于應(yīng)力范圍的分布函數(shù)均應(yīng)用weibull雙參數(shù)分布模型,形狀參數(shù)ξ均取1.0。Weibull形狀參數(shù)是研究船舶疲勞強度的一項重要參數(shù),大量的研究結(jié)果表明,疲勞損傷對形狀參數(shù)十分敏感［6-8］,形狀參數(shù)ξ一般是根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的海洋環(huán)境、結(jié)構(gòu)類型及響應(yīng)特性以及構(gòu)件在整個結(jié)構(gòu)中的位置等因素來確定,數(shù)值一般是在0.7～1.3之間。疲勞載荷的概率水平取為10-2時,Weibull形狀參數(shù)ξ從0.8變化到1.2,對疲勞壽命的影響很?。?］,所以HCSR規(guī)范中配套選取ξ=1.0和10-2的概率水平的做法可以有效消除由形狀參數(shù)ξ選取帶來的誤差影響。

1.3 應(yīng)力范圍計算方法

1.3.1 HCSR艙口角隅應(yīng)力計算方法

對于HCSR規(guī)范,艙口角隅疲勞強度直接計算評估的應(yīng)力范圍采用熱點應(yīng)力,對于網(wǎng)格劃分密度有著一定的要求(見圖2)。應(yīng)力的提取基于在有限元模型中角隅板網(wǎng)格邊緣建立一系列厚度與板材厚度相同,寬度近乎忽略的虛擬梁單元,在評估結(jié)果中提取梁單元的軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的組合。取各載荷工況中的修正后應(yīng)力范圍最大值作為所考慮裝載工況下的疲勞應(yīng)力范圍,所考慮的裝載工況見表3。

1.3.2 CSR-BC艙口角隅應(yīng)力計算方法

對于CSR-BC規(guī)范,計算艙口角隅評估的應(yīng)力范圍采用的等效切口應(yīng)力,主要是基于簡化應(yīng)力方法利用理論公式計算波浪轉(zhuǎn)矩引起的名義應(yīng)力范圍,計算模型基于船體結(jié)構(gòu)二維橫剖面,并根據(jù)艙口角隅的具體尺寸計算應(yīng)力集中系數(shù),將名義應(yīng)力轉(zhuǎn)換成熱點應(yīng)力,進而乘以疲勞切口因子轉(zhuǎn)換成疲勞等效切口應(yīng)力。此過程中不單獨考慮均勻裝載、隔艙裝載、正常壓載及重壓載這些實際裝載工況的影響。

圖2 艙口角隅建模要求

表3 HCSR疲勞評估的裝載工況

1.4 應(yīng)力范圍的修正

疲勞評估中影響評估結(jié)果有很多因素［9］,需要對應(yīng)力進行修正,對于艙口角隅應(yīng)力范圍的修正,主要考慮如下。

1.4.1 平均應(yīng)力的影響

對于母材,CSR-BC規(guī)范中平均應(yīng)力修正因子恒取fmean,j=0.77。HCSR規(guī)范中的平均應(yīng)力修正系數(shù)是基于CSR OT和CSR BC方法的進一步發(fā)展。HCSR規(guī)范中以修正因子的形式考慮了平均應(yīng)力的影響,公式中考慮了殘余應(yīng)力、拉壓狀態(tài)、局部應(yīng)力集中等影響因素,規(guī)范公式如下。

式中:σmax——所有裝載工況和所有載荷工況下的平均應(yīng)力與10-2概率水平下應(yīng)力范圍和的最大值;

σmcor,i(j)——修正后的平均應(yīng)力;

σmean,i(j)——疲勞平均應(yīng)力。

1.4.2 板厚修正的影響

HCSR和CSR均有板厚修正公式,對于凈板厚22 mm以上的評估節(jié)點的應(yīng)力范圍進行板厚修正。不同之處在于CSR-BC的板厚修正指數(shù)恒取0.25［11］,而HCSR需要根據(jù)節(jié)點不同而選取。對于艙口角隅的板厚修正方法,CSR-BC規(guī)范中的方法為修正因子恒取fthick=1.0,即不進行板厚修正;而HCSR的艙口角隅板厚修正方法見表4。

表4 艙口角隅板厚修正方法對比

文獻［4］表明,對于母材自由邊(base materi al)的疲勞評估需要考慮板厚效應(yīng)的影響,推薦的板厚修正指數(shù)為n=0.1。

1.4.3 材料系數(shù)修正

對于艙口角隅的疲勞評估,HCSR和CSRBC均考慮了不同材料屈服極限(ReH)帶來的影響,修正公式相同,如下。

1.4.4 腐蝕環(huán)境的影響

對于腐蝕環(huán)境的考慮,HCSR和CSR均有特點方法考慮,CSR-BC考慮的方式是通過腐蝕環(huán)境修正因子fcoat來實現(xiàn)的,方法如下。

對于壓載艙和燃油艙,fcoat=1.05;

對于干散貨艙和空艙,fcoat=1.03。

HCSR所考慮腐蝕環(huán)境影響的方法是通過腐蝕環(huán)境中的S-N曲線來專門考慮的,對于規(guī)范中規(guī)定的假定在腐蝕環(huán)境時間段內(nèi)的累積損傷需根據(jù)腐蝕環(huán)境S-N曲線進行計算,具體見2.5和2.6所述,從而體現(xiàn)腐蝕環(huán)境對疲勞壽命的影響。

1.5 S-N曲線的選取

CSR-BC規(guī)范因考慮的是疲勞等效切口應(yīng)力,在CSR-BC中對于任何節(jié)點形式的疲勞評估均采用了B曲線;HCSR規(guī)范中選取的S-N曲線是基于Den和HSE的B,C,D 3根S-N曲線,對于焊接節(jié)點采用的D曲線評估,對于母材采用B或C曲線,采用B或C曲線需要根據(jù)不同建造工藝來選擇,見表5、6。同時HCSR增加考慮腐蝕環(huán)境中的S-N曲線,用于計算節(jié)點在腐蝕環(huán)境時間內(nèi)的疲勞累積損傷,腐蝕環(huán)境中的S-N曲線不考慮斜率的變化,見圖3。

表5 腐蝕環(huán)境下的S-N曲線

表6 空氣中S-N曲線

圖3 S-N曲線

1.6 累積損傷計算方法

1.7 疲勞壽命計算方法

HCSR中的疲勞壽命計算分為2個區(qū)間。

式中:Dair——所有裝載工況,空氣中的累計損傷總和;

Dcorrosive——所有裝載工況,腐蝕環(huán)境中的累計損傷總和。

2 實船計算分析

以某散貨船為例,應(yīng)用CCSDSA TOOLS工具對該散貨船重壓載的艙口角隅進行網(wǎng)格細化［10］。

首先以橢圓型角隅(尺寸1 200 mm×600 mm)為研究對象,完成CSR和HCSR的疲勞強度評估?；谠撃Ｐ?結(jié)合表7完成不同尺寸(R= 600 mm,R=900 mm,R=1 200 mm)不同建造工藝下圓弧型艙口角隅基于HCSR的疲勞評估,船體主尺度見表8,有限元模型及評估部位見圖4、5,對比計算結(jié)果見表9。

表7 工藝方法與母材S-N曲線的對應(yīng)關(guān)系

表8 評估船主尺度參數(shù)

圖4 艙口角隅有限元模型

圖5 艙口角隅尺寸設(shè)計

表9 艙口角隅設(shè)計尺寸實船計算結(jié)果 年

3 結(jié)論

對于艙口角隅的疲勞評估,與CSR-BC規(guī)范中的簡化應(yīng)力方法相比,HCSR規(guī)范建立了一套基于有限元的疲勞評估方法,并對整個評估過程的各個技術(shù)環(huán)節(jié)均做了較大的調(diào)整,從載荷體系(概率水平10-2)、應(yīng)力范圍計算及修正方法、SN曲線選取到疲勞累計損傷及疲勞壽命計算,更加注重理論依據(jù)。

通過兩種規(guī)范的實船計算對比可以看出, HCSR艙口角隅的疲勞要求要高于CSR,這對今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計會帶來影響。

1)基于HCSR規(guī)范不同處理工藝(見表9)下的疲勞評估,可以看出建造工藝會給疲勞評估結(jié)果帶來很大的影響,現(xiàn)場施工中注意切割方法的選取,盡量保證角隅板加工成形后應(yīng)有良好的圓角和光滑的邊緣,提高母材可使用的S-N曲線等級。

2)基于HCSR規(guī)范,在鋼材用量相同的條件下,與橢圓形艙口角隅相比,圓弧型的艙口角隅的疲勞強度要高于橢圓形艙口角隅。參見表9中橢圓型艙口角隅(1 200 mm×600 mm)和R=900 mm的圓弧形艙口角隅的評估結(jié)果,建議在設(shè)計中考慮采用圓弧形艙口角隅的設(shè)計形式。

3)圓弧形艙口角隅的疲勞壽命與半徑R有著密切的關(guān)系,增大半徑可以提升疲勞壽命。但這需要同時兼顧考慮散貨船營運中對裝卸貨的影響。

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On Fatigue Strength Assessment for Hatch Corner of Bulk Carrier Based on HCSR and CSR

LIXu
(Technology Research Development Centre,China Classification Society,Beijing 100007,China)

In order to study the effectof the harmonized rules in fatigue assessment,the fatigue strength requirements of the hatch corner for bulk carriers in HCSR and CSR are analyzed.The fatigue life for hatch corner of one bulk carrier is calculated according to the CSR and HCSR respectively.Comparingwith the results shows that the requirement of fatigue strength for hatch corner in HCSR is improved.Some recommendations for design of the hatch corner are proposed.

fatigue assessment;hatch corner;CSR;HCSR;comparison analysis