張曉芳，趙寰宇

(1.河北機電職業(yè)技術學院，河北 邢臺054000;2.北京交通大學，北京100044)

0 引 言

船舶結構疲勞問題在船舶力學領域是較為重要的研究領域之一。船身疲勞涉及到船舶航行的可靠性，人員的安全性以及船舶的使用壽命。近年來，船舶疲勞研究引起了廣泛關注。竺一峰等［1］在研究船身疲勞現(xiàn)象時，將船體簡化為2 種典型結構，通過對其疲勞特性的試驗分析，得出了典型變形特征下船身的疲勞特性，為船舶疲勞設計提供了有益參考。張曉飛等［2］將疲勞壽命試驗與有限元法相結合，對AH32 鋼T 型焊接接頭在特定工況下的應力分布，研究表明鋼結構在焊接處應力值較大，壽命較短。提出的疲勞計算方法為預測船舶結構疲勞壽命提供了理論依據(jù)。陳穎等［3］采用有限元計算方法，對船體結構應力分布進行研究，得出了船體應力分布，為船身設計提供了有益參考。同時，將夾板厚度，不同船身結構，加強筋分布特征作為設計變量，通過對比，對船舶結構進行了優(yōu)選。馮國慶等［4］對船舶疲勞設計以及評估方法進行了研究，通過對船身結構受力情況的分析，對多個參數(shù)進行了設計研究，并采用回歸分析方法得出了船身疲勞壽命與各個參數(shù)相互關系的近似模型。相比其他方法，近似模型具有計算量小，計算時間短等優(yōu)點，有利于疲勞壽命的快速預測。

另一方面，船身自身材料由于加工過程存在一定缺陷，也會導致船身結構疲勞壽命的縮短。陳家兌等［5］采用有限元法對船身鋼板材料沖壓以及拉伸的熱成型工藝進行了數(shù)值模擬，得到了材料成型過程的流動特性，獲得了材料在沖壓拉伸以及鍛造過程中的應力分布情況，研究了材料由于加工成型缺陷導致的內部殘余應力的分布情況。王春芬等［6］采用試驗方法對材料加工過程中的偏析問題進行了深入研究，表明材料的在冷卻過程中的過度偏析會導致成型材料的疏松，從而使得材料在工作過程中產(chǎn)生的微小裂紋十分容易擴展，使得材料的疲勞壽命較短。

由于材料的疲勞壽命與材料在工作過程中的應力循環(huán)幅值有直接關系(見圖1)，當工作應力大于S1000時，材料在循環(huán)應力作用1 000 次以內，便會發(fā)生疲勞破壞。當材料的工作應力介于S1000和Sbe以內時，材料的疲勞循環(huán)次數(shù)則會介于1 000 次到1 000 000 次之間。而當材料的工作應力小于Sbe時，材料無論在交變載荷下作用多少次，均不會發(fā)生疲勞破壞。所以，為了研究材料的疲勞壽命，應對材料的工作應力進行研究。通過研究材料缺陷導致的應力變化，便可定量了解材料缺陷對結構疲勞壽命的影響。

圖1 疲勞壽命曲線Fig.1 Fatigue life curve

1 結構應力分析

由于船身結構由鋼板結構焊接而成，并且疲勞壽命由結構應力決定。本文對船身鋼板中一部分進行研究，如圖2所示，取長為3 m，寬為1 m的鋼板結構作為本文研究對象，對其進行應力計算。

圖2 試件結構參數(shù)Fig.2 Specimen structural parameters

基于hypermesh 前處理器將結構進行離散化，并以殼單元進行描述。通過對比分析，本文將鋼板結構在工作過程中的受力情況簡化為如圖3所示的2 種工況。圖3(a)為工況1，鋼板左端以spc方式約束，自由端所受載荷與鋼板共面。圖3(b)為工況2，約束方式與工況1 相同，自由端的載荷與鋼板結構垂直。這2 種工況為船身結構受到的主要載荷。

圖3 不同載荷工況Fig.3 Different load cases

有限元分析結果如圖4所示。結果表明，工況1 鋼板結構最大應力值為119 MPa，工況2 鋼板結構最大應力值為191 MPa。其中工況1 最大應力出現(xiàn)在固定端兩側面部分，而中間應力值較小。工況2 應力最大值在固定端均有分布，分布范圍較大。

由于結構疲勞強度與結構應力值有較大關系，而鋼板結構在不同工況的應力分布情況有較大差別，并且應力分布不均勻，所以有必要對材料缺陷位置對結構最大應力的影響進行研究，同時研究不同缺陷位置對不同工況的影響。

圖4 無缺陷鋼板結構應力Fig.4 Stress of the steel structure with no defects

2 夾雜物對疲勞性能影響

由于結構的疲勞性能最終體現(xiàn)在特定載荷下的應力幅值上。要研究夾雜物對結構抗疲勞性能的影響，可將該問題轉化為夾雜物對結構應力幅值大小的影響。

由于鋼板結構在工作過程中應力分布不均，所以研究不同夾雜物位置對結構應力幅值的影響具有較大意義。為此重新建立有限元模型，并對夾雜物部分采用新的單元進行描述，含有夾雜物鋼板有限元模型如圖5所示。

圖5 缺陷位置Fig.5 Location of the defects

圖5所示夾雜物并不在同一工況處出現(xiàn)，而是每個夾雜物位置單獨出現(xiàn)對應力的影響。由于鋼板結構為一對稱結構，約束邊界條件、載荷也具有對稱性，則其應力分布也具有對稱性，所以在建立含有夾雜物的有限元模型時，只需研究夾雜物在結構半個部分的分布情況對應力的影響。為此本文對每種情況分別建立了有限元模型，并以命令流的形式一次提交有限元求解器，求解結果如圖6所示。

圖6 不同位置工況結構應力對比Fig.6 Stress comparison of the structural with different defects location

計算結果表明，對于工況1，當材料有缺陷時，應力最大值并無變化，而應力最小值有所提高，是因為當夾雜物出現(xiàn)于應力較小的部位時，會使得該部分產(chǎn)生較大的應力，對結構的最大應力影響不大。對于工況2，當鋼板結構出現(xiàn)夾雜物時，應力最大值仍然不會有所增加，夾雜物所在位置處應力具有減小的趨勢，越是靠近低應力區(qū)域，對應力的減小越明顯?？梢?，夾雜物的出現(xiàn)對于結構的載荷工況較為敏感，而對應力最大值的影響幾乎可以不考慮。

3 夾雜物對高應力區(qū)的影響

上述計算表明，夾雜物位置對低應力區(qū)域的影響較小，為更進一步研究夾雜物位置對結構應力的影響，本文對結構高應力區(qū)域夾雜物進行研究。圖4 表明，2 種工況結構應力最大值均出現(xiàn)于固定端部分。所以，對高應力區(qū)域重新建立有限元模型，如圖7所示。由于結構的對稱性，仍然對結構的一半進行研究。

圖7 缺陷位置Fig.7 Location of the defects

以命令流形式將有限元模型逐個遞交有限元求解器，計算得出的應力分布如圖8所示。結果表明，當結構工作于工況1 時，結構應力最大值分別為135 MPa，124 MPa，121 MPa，120 MPa，119 MPa，當鋼板中夾雜物出現(xiàn)于結構邊界處時，材料最大應力值會有顯著增加的趨勢。而當夾雜物出現(xiàn)于材料中心部位時，對應力的最大值影響相對較小。所以對于船身結構，有必要對選材的邊界部分進行檢驗，以提高船身結構抗疲勞能力。而鋼板中心部位可相應放寬要求，以提高經(jīng)濟性。

對于工況2，材料中夾雜物位置由邊界部分逐漸向中心部位出現(xiàn)時，材料應力最大值分別為194 MPa，196 MPa，198 MPa，199 MPa，199 MPa ，材料中心部位應力增加的最為劇烈，向兩側逐漸遞減。這與工況1的規(guī)律相反，所以在制造過程中有必要對鋼板結構進行受力分析。若鋼板結構處于工況2的受力情況，應對其整個高應力區(qū)域進行檢驗，以保證沒有材料缺陷的存在，提高船身結構的抗疲勞性能。

圖8 夾雜物對高應力區(qū)的影響Fig.8 The effects of the material defects of high stress areas

4 結 語

1)將船身鋼板結構受力工況簡化為2 種情況，并對其進行了應力計算。研究了鋼板結構在不同工況以及不同夾雜物位置情況下應力最大值出現(xiàn)規(guī)律。結果表明，船身結構在低應力區(qū)域出現(xiàn)夾雜物時，對結構應力最大值的影響較小。

2)在船身高應力區(qū)域出現(xiàn)夾雜物時，結構應力最大值會受到較大的影響，具有明顯增加的趨勢。對于工況1，鋼板結構兩側應力增加的最為顯著，向結構中心逐漸遞減。對于工況2，鋼板結構中心部位應力增加較為顯著，向結構兩側則有遞減的趨勢。

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