張勁松

（中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433）

船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度問題長期困擾著船舶建造設(shè)計(jì)人員，作為船舶安全的重要影響因素之一，通過科學(xué)的手段檢測船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度能夠有效避免因材料與工藝設(shè)計(jì)方面導(dǎo)致的船舶結(jié)構(gòu)安全問題發(fā)生。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度測算手段更加豐富，相關(guān)算法日益完善。

1 船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度測算方法概述

在船舶建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，目前使用較為廣泛的疲勞強(qiáng)度測算方法主要包括回應(yīng)譜測算法、切片測算法等，具體內(nèi)容如下所述。

1.1 回應(yīng)譜測算法

回應(yīng)譜測算法的核心在于運(yùn)用有限元分析技術(shù)，對船舶設(shè)計(jì)過程中對應(yīng)結(jié)構(gòu)處的受力情況繼續(xù)疲勞損壞水平進(jìn)行推算。設(shè)計(jì)人員利用專業(yè)軟件繪制目標(biāo)艙段與結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合有限元分析軟件選擇對應(yīng)艙段中不同位置的材料、工藝等，實(shí)現(xiàn)局部載重作用力回應(yīng)曲線計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的短期監(jiān)測，為船舶建造與檢修提供科學(xué)的依據(jù)。

1.2 切片測算法

所謂切片測算法，是指根據(jù)不同船型在實(shí)際航行過程中船體、載重、海況等相關(guān)因素綜合考慮下的船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度測算方法，其基本理論是平面流假設(shè)法。在使用切片測算法的過程中，需要對船身的橫剖面等同于無限長柱面結(jié)構(gòu)，將三維空間內(nèi)的流體力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為二維空間內(nèi)的流體力學(xué)分析，通過三個(gè)不同剖面的分析結(jié)果，對船舶航行過程中的升沉、橫搖、縱搖導(dǎo)致的波浪載重與船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度損壞情況進(jìn)行評估。

2 船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析方法的具體應(yīng)用

從實(shí)際角度分析，導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度損害的因素是多方面的，以常見的裂紋為例，由此造成的船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度變化包括宏觀與微觀兩個(gè)層面。首先，大量裂紋在同一分段結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用將形成不同規(guī)模的“宏觀裂紋”，隨著“宏觀裂紋”規(guī)模的不斷擴(kuò)大，所引起的船舶結(jié)構(gòu)疲勞損壞程度將進(jìn)一步升級，甚至造成結(jié)構(gòu)件的斷裂；其次，微觀層面上的材料裂紋是一個(gè)較為復(fù)雜的問題，需要經(jīng)過科學(xué)的理論分析和建模仿真才能夠更加全面的展示船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的變化曲線，具體方法包括S-N曲線法與Mine線性疲勞累積算法。

2.1 S-N曲線法

相比較其他船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析理論與方法來說，S-N曲線法主要適用于船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度損壞分析的初始階段，然而，隨著“宏觀裂紋”概念在船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析中的普及，S-N曲線法已經(jīng)應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)的“全周期”疲勞損耗水平推算。然而，這里需要注意的是，S-N曲線法的使用前提是結(jié)構(gòu)材料與工藝所導(dǎo)致的裂紋并不會受外部因素影響而消失，并隨著時(shí)間的推移逐步接近臨界值。

在S-N曲線法的實(shí)際使用過程中，其主要手段包括一般名義應(yīng)立法、熱點(diǎn)應(yīng)立法、切口應(yīng)法，通過對應(yīng)方法分析的數(shù)據(jù)，可繪制船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度S-N曲線，實(shí)現(xiàn)全周期結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的科學(xué)預(yù)測。然而，由于分析方法的不同，其優(yōu)缺點(diǎn)也較為明顯，具體如表1所示：

表1 S-N曲線法的優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.2 Mine線性疲勞累積算法

在船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析方面，除S-N曲線法以外，Mine線性疲勞累積算法的應(yīng)用同樣較為廣泛，其側(cè)重于船舶實(shí)際使用過程中的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度損耗的持續(xù)性估算，即從理論角度認(rèn)定船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度疲勞損傷是一種線性相加的關(guān)系，對應(yīng)公式如下所示：

其中，n1、n2為對應(yīng)載荷S1、S2的計(jì)算損傷周期（以7天為一個(gè)周期），N1、N2為對應(yīng)載荷S1、S2的臨界損傷周期數(shù)。

3 船舶建造中鋼結(jié)構(gòu)的疲勞特征分析

作為船舶建造過程中使用量最大的材料，關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的疲勞分析重點(diǎn)在開孔、焊接兩個(gè)工藝施工點(diǎn)位，且具有的疲勞特征也存在著較大差異。

3.1 隨機(jī)載荷變化下的鋼結(jié)構(gòu)疲勞特征

對于相同鋼結(jié)構(gòu)工藝施工點(diǎn)位來說，隨機(jī)載荷變化帶來的鋼結(jié)構(gòu)疲勞損壞水平變化特征如圖1所示。

圖1 10萬噸級遠(yuǎn)洋貨船隨機(jī)載荷下的鋼結(jié)構(gòu)疲勞損耗示意圖（3級海況）

由圖1可以看出，隨著載荷的不斷增加，在載荷40%～80%鋼結(jié)構(gòu)損耗值顯著變化，在船舶設(shè)計(jì)與使用過程中需要特別關(guān)注對應(yīng)載荷下的船舶結(jié)構(gòu)疲勞損耗水平，避免出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)失效帶來的各種危險(xiǎn)。

3.2 海況等級變化下的鋼結(jié)構(gòu)疲勞特征

海上環(huán)境變化多端，船舶鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度損耗情況與海況等級有著一定的相關(guān)性，假設(shè)船舶載荷相同，且航行操作方式一致，則不同海況下的鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度損耗如圖2所示。

圖2 不同海況下的鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度損耗水平（10萬噸級遠(yuǎn)洋船）

隨著海況等級的不斷增加，鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度損耗水平并未呈現(xiàn)出線性增加的關(guān)系，尤其是在高海況（≥五級）的情況下，對應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度損耗的增加值在不斷減小。但是，這里需要注意的是，在同一海況下，航向、航速等相關(guān)因素的變化會在一定程度上引起鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度損耗的不同。

4 結(jié)語

船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度主要是指鋼結(jié)構(gòu)在不同情況下的疲勞強(qiáng)度損耗水平，盡管，以S-N曲線法與Mine線性疲勞累積算法為代表的船舶疲勞強(qiáng)度損耗強(qiáng)度計(jì)算方法得到了較為廣泛的應(yīng)用，但是，由于數(shù)據(jù)誤差等不確定因素的存在，依然需要根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)變化的實(shí)際情況進(jìn)行疲勞強(qiáng)度判斷，避免單一分析手段導(dǎo)致的安全問題發(fā)生。