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        客滾船車輛甲板疲勞問題分析

        2020-11-06 05:53:05朱麗紅
        中國水運(yùn) 2020年7期
        關(guān)鍵詞:影響因素措施

        朱麗紅

        摘 要:疲勞是在循環(huán)載荷的反復(fù)作用下,在原材料的局部缺陷或結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力集中處逐漸形成裂紋并擴(kuò)展到失效的一種行為。在重載車輛作用下,車輛甲板因其功能的特定性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性更容易產(chǎn)生疲勞破壞。車輛甲板材料本身的缺陷、構(gòu)造細(xì)節(jié)缺陷、車輛超載等多方面的原因,都可能導(dǎo)致車輛甲板的疲勞破壞。本文概括和總結(jié)了車輛甲板疲勞破壞的機(jī)理和影響因素,對(duì)某輪車輛甲板因局部應(yīng)力集中產(chǎn)生的疲勞破壞進(jìn)行了簡要的分析和介紹,就改善車輛甲板抗疲勞性能的措施做了初步的探討,對(duì)延緩車輛甲板疲勞破壞的發(fā)生有一定的指導(dǎo)意義。

        關(guān)鍵詞:車輛甲板;疲勞;影響因素;措施

        中圖分類號(hào):U674.12 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào):1006—7973(2020)07-0100-02

        客滾船在營運(yùn)過程中,載荷是隨機(jī)變動(dòng)的;船舶承受的波浪載荷、風(fēng)載荷以及航行時(shí)產(chǎn)生的各種慣性力也是隨機(jī)變化的,這種不斷變化的載荷使船體內(nèi)部產(chǎn)生交變應(yīng)力[1]。在長期交變應(yīng)力的作用下,變化載荷周期的累積效應(yīng)造成了船舶的疲勞破壞。因疲勞破壞造成的海損事故時(shí)有發(fā)生,1972年瑞典公布85條大型船舶結(jié)構(gòu)破損情況的調(diào)查,在船體破損中因疲勞問題造成的破壞比例占70.45%[2],第七屆船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)大會(huì)指出,船長超過200m的船舶總損傷的70%屬于疲勞損傷[3],1994年9月“Estonia”號(hào)滾裝輪渡航行至波羅的海北部海面時(shí)艏門與船體連接處發(fā)生疲勞斷裂,在風(fēng)浪聯(lián)合作用下海水迅速涌入車輛甲板,導(dǎo)致船舶迅速下沉,900多人喪生。各種實(shí)船研究報(bào)告表明,疲勞破壞是船舶結(jié)構(gòu)破壞的主要形式之一,是航運(yùn)管理中必須重視的問題。

        1車輛甲板疲勞破壞的機(jī)理

        微觀機(jī)理:車輛甲板鋼板內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)不同,不同方向各向異性并且不均勻,不均勻的微觀結(jié)構(gòu)下應(yīng)力分布也是不均勻的。在高應(yīng)力作用下,金屬內(nèi)部薄弱晶粒易出現(xiàn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),位錯(cuò)由變形能力強(qiáng)的區(qū)域,滑移到變形能力較弱的區(qū)域,當(dāng)位錯(cuò)不能繼續(xù)滑移時(shí),部分晶粒局部出現(xiàn)短而細(xì)的滑移線,并出現(xiàn)相繼錯(cuò)動(dòng)的滑移臺(tái)階;隨著循環(huán)次數(shù)的增加,原滑移線附近出現(xiàn)新的滑移線并形成較寬較深的滑移帶,繼續(xù)增加應(yīng)力循環(huán)次數(shù),滑移帶尺寸及數(shù)量增加明顯,最后滑移帶數(shù)量接近飽和,微裂紋在大量滑移帶中產(chǎn)生。循環(huán)載荷作用下,微裂紋繼續(xù)擴(kuò)展和連接,逐漸形成主裂紋。

        宏觀機(jī)理:船舶在制造過程中不可避免的存在缺陷,船體結(jié)構(gòu)中的微裂紋總是存在的。在交變載荷的作用下,微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展,形成宏觀裂紋。同樣,在應(yīng)力集中部位,由于高應(yīng)力的存在,即使材料沒有缺陷,在循環(huán)應(yīng)力的作用下,也會(huì)產(chǎn)生裂紋,出現(xiàn)疲勞問題。

        2車輛甲板疲勞破壞影響因素

        2.1局部應(yīng)力集中

        客滾船車輛甲板的結(jié)構(gòu),為了滿足使用要求和設(shè)計(jì)要求,制造工藝復(fù)雜,節(jié)點(diǎn)類型和細(xì)節(jié)構(gòu)造多樣,復(fù)雜結(jié)構(gòu)和不同的幾何形狀易于產(chǎn)生應(yīng)力集中。車輛載荷通過車輪作用于車輛甲板,但是由于車輪與甲板作用面很小,接觸面壓力很大,整個(gè)甲板載荷分布極其不均勻,局部應(yīng)力集中現(xiàn)象突出[4]。疲勞破壞總是出現(xiàn)在應(yīng)力集中的地方。

        筆者曾參加了某輪車輛甲板疲勞破壞原因分析和探討修復(fù)方案的全過程。該輪車輛甲板局部甲板發(fā)生疲勞破壞,裂紋長度約10cm,深度約2mm,破壞范圍如圖1(陰影部分為破壞范圍)。分析疲勞破壞的原因如下:①車輛超載;②重載車輛輪印處載荷較大,當(dāng)輪印處于No.10甲板縱骨兩側(cè),且輪印落在縱向強(qiáng)框架之間時(shí)(此時(shí)甲板載荷最大),輪印左側(cè)為單板格結(jié)構(gòu),右側(cè)為三板格結(jié)構(gòu),左側(cè)板格結(jié)構(gòu)偏弱,在重載車輛載荷的作用下左側(cè)甲板發(fā)生屈曲變形;③輪印下結(jié)構(gòu)不連續(xù),No.9水密艙壁垂直扶強(qiáng)材上端肘板與No.10甲板縱骨連接處,No.10縱骨向舷側(cè)未設(shè)置對(duì)應(yīng)的肘板構(gòu)件(圖2),形成輪印下局部應(yīng)力集中。綜合分析,在重載車輛載荷的作用下,因局部板格強(qiáng)度不同,結(jié)構(gòu)不連續(xù),車輛甲板出現(xiàn)局部變形,經(jīng)過數(shù)次循環(huán)載荷的作用,甲板由局部變形發(fā)展直至疲勞破壞。

        2.2應(yīng)力循環(huán)次數(shù)

        應(yīng)力循環(huán)次數(shù)是指在循環(huán)載荷的作用下應(yīng)力由最大到最小的循環(huán)次數(shù)。在不同的應(yīng)力幅值作用下,車輛甲板產(chǎn)生疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不同,應(yīng)力幅值越高,導(dǎo)致疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)越少,相反則越多。車輛甲板產(chǎn)生疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)隨著應(yīng)力幅值迅速變化,重載車輛載重越大,應(yīng)力水平越高,產(chǎn)生疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)越少,即較少裝卸載次數(shù)也會(huì)導(dǎo)致甲板的疲勞破壞。研究表明,對(duì)于車輛甲板的疲勞,當(dāng)工作載荷低于疲勞極限時(shí),車輛裝卸次數(shù)對(duì)疲勞破壞影響較小;但是如果疲勞破壞以某種方式開始,即便工作載荷低于疲勞極限,疲勞破壞也將繼續(xù)進(jìn)行。

        2.3應(yīng)力幅值

        一般來說,應(yīng)力幅值是影響疲勞破壞的主要因素,車輛甲板以運(yùn)輸載重車輛為主,超重現(xiàn)象比較普遍,車輛甲板同時(shí)作用著次數(shù)較少的低應(yīng)力循環(huán)載荷和次數(shù)較多的高應(yīng)力載荷,大小載荷交互作用于車輛甲板,若干循環(huán)次數(shù)下施加高應(yīng)力載荷和少量高低應(yīng)力的交錯(cuò)載荷更容易產(chǎn)生疲勞破壞。應(yīng)力幅值越高,疲勞破壞所需時(shí)間越短。

        2.4平均應(yīng)力

        反應(yīng)金屬結(jié)構(gòu)疲勞性能的S-N曲線,是在恒幅應(yīng)力作用下由試驗(yàn)求得。對(duì)于復(fù)合應(yīng)力作用下的船舶,按等效損傷的原則,疲勞破壞程度為多個(gè)恒幅應(yīng)力作用下疲勞破壞的疊加。圖3為平均應(yīng)力、應(yīng)力幅值、循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線。

        3減緩車輛甲板疲勞破壞的措施

        延長車輛甲板的抗疲勞性能,是船舶技術(shù)管理人員面臨的重要問題。對(duì)車輛甲板而言,合理的工作載荷和優(yōu)良的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)是延緩車輛甲板疲勞破壞的重要方法??v觀疲勞破壞的影響因素,載荷循環(huán)次數(shù)、應(yīng)力幅值和應(yīng)力集中是客觀存在的事實(shí),改善車輛甲板疲勞性能的主要因素是消除或減少應(yīng)力集中,合理裝載和配載。具體措施如下:

        (1)采用合理的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的疲勞破壞多數(shù)開始于最大應(yīng)力處,所以設(shè)計(jì)之初應(yīng)采用合理結(jié)構(gòu):對(duì)必須的開口,應(yīng)考慮選擇合適的形狀和位置,盡可能增大過渡處的圓角,位置盡量布置在低應(yīng)力區(qū);

        (2)減少截面突變。避免出現(xiàn)尺寸突變的不連續(xù)結(jié)構(gòu),橫截面尺寸突變時(shí)盡可能光順和平滑過渡,確保應(yīng)力的有效傳遞。

        (3)營運(yùn)過程中合理裝載配載,車輛載荷符合甲板設(shè)計(jì)要求,降低應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力。

        4結(jié)語

        疲勞破壞是影響船舶安全營運(yùn)的重要因素。對(duì)客滾船來說,營運(yùn)過程中要從可控因素改善車輛甲板疲勞性能,使可能出現(xiàn)的疲勞問題降至最小程度。提高對(duì)疲勞問題的重視程度,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除疲勞破壞隱患,才能確保船舶的安全,避免人員生命和財(cái)產(chǎn)的損失。

        參考文獻(xiàn):

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        [2] Vedeler G. To What Extend do Brittle Fracture and Fatigue Interest Shipbuilders Today[R]. Houdremont ?Lecture 1962, Sveiseteknikk, 1962.

        [3] Kjellander S L. Hull Damadge on Large Swidish-built Ships. Styrelsen for Teknisk Utveckling[R], 1972.

        [4] 蔣志巖, 古長江.滾裝船車輛甲板強(qiáng)度分析[J]. 船舶, 000(2):20-23.

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