楊勝苗（臺(tái)州市海順船舶設(shè)計(jì)有限公司，浙江臺(tái)州　318000）

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淺議利用有限元方法分析船體結(jié)構(gòu)疲勞

楊勝苗
（臺(tái)州市海順船舶設(shè)計(jì)有限公司，浙江臺(tái)州318000）

【摘 要】船體結(jié)構(gòu)是整個(gè)船舶在制造過程中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，同時(shí)也是船員日常維護(hù)時(shí)所需要注意的關(guān)鍵所在。船舶在海上航行時(shí)，海浪對(duì)船的作用力及船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生慣性力，造成船體結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，一旦船舶的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了問題，那么船舶的疲勞破壞就會(huì)加大，進(jìn)而對(duì)整個(gè)船舶的安全性能造成嚴(yán)重的威脅。通過結(jié)合一些相關(guān)的軟件，船舶的設(shè)計(jì)人員就能夠?qū)φ麄€(gè)船的疲勞強(qiáng)度的分布情況進(jìn)行詳細(xì)的了解，進(jìn)而更好的針對(duì)船舶可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證遭受疲勞動(dòng)載荷的船體結(jié)構(gòu)有足夠的疲勞壽命。

【關(guān)鍵詞】有限元法船體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)疲勞

船舶在設(shè)計(jì)的過程中，主要有兩個(gè)設(shè)計(jì)的主流方向，第一是對(duì)船舶的尺度形式以及外在功能進(jìn)行改良和創(chuàng)新，第二就是將高強(qiáng)度鋼合理的應(yīng)用到船舶結(jié)構(gòu)中。為了對(duì)船舶設(shè)計(jì)中的疲勞安全水平進(jìn)行了解，保障船舶結(jié)構(gòu)在營(yíng)運(yùn)時(shí)的安全性，就需要對(duì)船舶的結(jié)構(gòu)疲勞程度進(jìn)行分析，以此來降低船舶在日常維修中的成本。有限元法則能夠通過軟件來對(duì)船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行一個(gè)科學(xué)的評(píng)估。

1　船體結(jié)構(gòu)疲勞的確定

船體結(jié)構(gòu)疲勞是由載荷時(shí)間、歷程以及載荷所引發(fā)的應(yīng)力共同引起的，因此對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞程度確定時(shí)，首要步驟是對(duì)船體所受荷載的時(shí)間、歷程進(jìn)行估算，以此條件有針對(duì)的進(jìn)行演算。一般來說，載荷的時(shí)間以及歷程分為兩種，一種是周期循環(huán)的，另一種是隨機(jī)變化的，依據(jù)不同的時(shí)間歷程來制定不同的曲線形式，這是確定船體疲勞程度的第一環(huán)節(jié)；然后對(duì)船體的載荷進(jìn)行處理，對(duì)于具有周期特性的情況，針對(duì)一種工況進(jìn)行分析就可以，對(duì)于隨機(jī)變化的情況，則通常用簡(jiǎn)化確定、頻域分析以及時(shí)域分析的方法進(jìn)行確定。簡(jiǎn)化法是掌握其中的一種工況，頻域分析法是需要掌握100～1000組工況才能夠確定，而時(shí)域分析法則是通過長(zhǎng)期的觀察某一塊海域所統(tǒng)計(jì)出來的數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過相關(guān)的轉(zhuǎn)變得到答案。實(shí)際上海域受到天氣、季節(jié)等條件影響的情況較大，因此在通常情況下，會(huì)在三種方法上進(jìn)行一定的改進(jìn)，以用來克服正態(tài)假定過程中的局限性。

2　船體結(jié)構(gòu)疲勞的分析方法

2.1S—N曲線方法

S—N曲線方法可細(xì)分為名義、熱點(diǎn)以及切口應(yīng)力法，名義應(yīng)力又分為局部應(yīng)力以及焊接點(diǎn)應(yīng)力，其是導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)疲勞破裂的主要因素，當(dāng)船體本身的結(jié)構(gòu)與海水相接處時(shí)，局部應(yīng)力也是導(dǎo)致船體腐蝕破裂的重要原因。

2.2斷裂力學(xué)的分析方法

斷裂力學(xué)法通常要假定結(jié)構(gòu)中預(yù)先存在著初始裂紋，所以最適用于疲勞壽命主要由裂紋擴(kuò)展階段所決定的結(jié)構(gòu)和工況。該方法對(duì)于確定結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命以及對(duì)建造中業(yè)已存在疲勞缺陷的構(gòu)件疲勞壽命評(píng)估具有重要意義。

2.3壽命預(yù)測(cè)的不確定性

在進(jìn)行疲勞壽命的預(yù)測(cè)中海況可能存在以下的一些不確定性，即載荷判定過程，如作用方式、作用區(qū)域；應(yīng)力計(jì)算過程；不同疲勞分析方法的選用；對(duì)一些深層次影響因素的處理，如平均應(yīng)力、環(huán)境效應(yīng)、腐蝕等。這些因素通常會(huì)導(dǎo)致建模過程中的不確定性，通常對(duì)它們的處理是采用安全系數(shù)以及一些偏于安全的假定或者采用基于概率理論的可靠性方法。

圖1　整體船的有限元模型

3　船體結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞區(qū)域的判定

其一，交變荷載或者應(yīng)力；其二平均應(yīng)力以及殘存應(yīng)力，這兩個(gè)應(yīng)力對(duì)船舶的影響較大；其三，應(yīng)力集中，在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵以及突出的部分；其四，材料，高強(qiáng)度鋼所制造的構(gòu)件其也要承擔(dān)更大的應(yīng)力，進(jìn)而更容易發(fā)生疲勞；其五，環(huán)境條件以及實(shí)際營(yíng)運(yùn)，實(shí)船在營(yíng)運(yùn)中的情況是檢驗(yàn)疲勞區(qū)域最可靠的依據(jù)，新的結(jié)構(gòu)往往是最早發(fā)生疲勞破壞的，因此在設(shè)計(jì)中也可以進(jìn)行實(shí)踐研究。

4　建模及結(jié)果

如圖1是整體船的有限元模型，在通關(guān)相關(guān)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理后，可以得到模型仿真后的結(jié)果，采用有限元法來對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行分析，能夠更好的掌握其疲勞的數(shù)據(jù)，為船舶結(jié)構(gòu)疲勞的深入研究起到積極作用。依據(jù)相關(guān)的規(guī)范模型范圍應(yīng)符合下述要求：

（1）縱向范圍一般應(yīng)至少覆蓋船中貨艙區(qū)的1/2個(gè)貨艙+1個(gè)貨艙+1/2個(gè)貨艙長(zhǎng)度。

（2）考慮橫向波浪載荷的不對(duì)稱性，應(yīng)采用全寬模型。

（3）垂向范圍應(yīng)取主船體范圍內(nèi)的所有構(gòu)件，包括主甲板上的所有主要構(gòu)件。

5　結(jié)語(yǔ)

船體結(jié)構(gòu)的疲勞情況分析是一個(gè)較為繁雜的工作，就目前所知道的分析方法主要有兩種，一種是譜分析法，另一種就是有限元法。兩種方法的應(yīng)用，不僅為船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來了全新的改革，還為船舶運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性以及安全性作出了巨大的貢獻(xiàn)。對(duì)于通過用有限元法來分析船舶的疲勞強(qiáng)度，其主要應(yīng)用的軟件就是M S C . FATIGUE，該軟件能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)MSC.PATRAN以及NASTRAN的高度整合，可以更加完美的解決結(jié)構(gòu)中強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等方面的問題，從而保障了設(shè)計(jì)單位能夠更好的進(jìn)行船舶產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作，不僅能夠節(jié)省大量的設(shè)計(jì)時(shí)間以及設(shè)計(jì)所需要的資金成本，還能夠大大的減少船舶等設(shè)計(jì)工作的開發(fā)周期。

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