朱道峰

（中國船級(jí)社天津分社，天津 300457）

0 引言

船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須將結(jié)構(gòu)疲勞納入考慮范圍，只有這樣才能真正確保船舶在各種特殊環(huán)境條件下健康運(yùn)行。要提高船舶結(jié)構(gòu)牢固度，減少結(jié)構(gòu)疲勞帶來的其他方面問題，船舶在水體內(nèi)可能承受更大的荷載，遭受更大的破壞，因此，有必要深入分析船舶結(jié)構(gòu)疲勞的誘發(fā)因素，并分析強(qiáng)度評(píng)估方法，從而控制船舶結(jié)構(gòu)疲勞度[1]。

1 船舶結(jié)構(gòu)疲勞的誘發(fā)因素

船舶結(jié)構(gòu)疲勞的誘發(fā)因素是多種多樣的，其中既包括客觀外力因素，也包括人為失誤等所導(dǎo)致的問題。

1.1 船舶設(shè)計(jì)與加工不合理

船舶結(jié)構(gòu)特征決定著船舶使用功能的發(fā)揮，特別是不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將影響其使用周期，船舶結(jié)構(gòu)疲勞的一大誘發(fā)因素就是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)忽視了船舶結(jié)構(gòu)的承重能力以及使用周期，從而影響船舶的使用壽命，而且船舶生產(chǎn)、加工操作中，都對(duì)結(jié)構(gòu)、功能、性能等提出了具體的要求，隨著水路運(yùn)輸量的增大，社會(huì)需求的繁瑣復(fù)雜，使得很多船舶企業(yè)在生產(chǎn)、制造船舶過程中，沒能認(rèn)識(shí)到船舶結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等對(duì)承重能力、運(yùn)輸效率以及結(jié)構(gòu)疲勞的影響，或者施工過程偏離了設(shè)計(jì)圖紙中的要求，從而導(dǎo)致船舶運(yùn)輸能力下降，其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是焊接位置不牢固，達(dá)不到預(yù)期的規(guī)定和要求，從而使得船舶運(yùn)輸中出現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)性的安全問題，導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)疲勞。眾多的研究表明，船舶外力變化次數(shù)和船舶的長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)密切，二者之間的關(guān)系如下所示。

長(zhǎng)度為50 m的船舶，外力變化次數(shù)為0.928；長(zhǎng)度為100 m的船舶，外力變化次數(shù)為0.788；長(zhǎng)度為150 m的船舶，外力變化次數(shù)為0.725；船舶長(zhǎng)度為200 m，外力變化次數(shù)為0.685；船舶長(zhǎng)度為250 m，外力變化次數(shù)為0.658；船舶長(zhǎng)度為300 m，外力變化次數(shù)為0.636。

從以上數(shù)據(jù)看出，船舶外力變化隨著船舶長(zhǎng)度的變長(zhǎng)而減小。

1.2 多變復(fù)雜的外力

船舶所能承受的外力時(shí)刻在發(fā)生變化。船舶有自身的載貨量要求，載客量也有著限值要求。船舶處于供不應(yīng)求的狀態(tài)下，一些船舶運(yùn)輸企業(yè)為了增加運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益，則不合理地增加載貨量，導(dǎo)致船舶運(yùn)輸嚴(yán)重超載，一旦載荷超出了允許的范圍，則將增加船舶的結(jié)構(gòu)疲勞度，使得船舶結(jié)構(gòu)受損，甚至面臨其他方面的問題。同時(shí)，船舶所處運(yùn)輸環(huán)境各不相同，特別是水域條件與水體特點(diǎn)都將直接影響到船舶結(jié)構(gòu)牢固度，一些海上鹽水密度較大的水體環(huán)境，勢(shì)必會(huì)增加船舶主體結(jié)構(gòu)的腐蝕度，從而加劇結(jié)構(gòu)疲勞。

1.3 船舶的養(yǎng)護(hù)維修不到位

任何交通工具都需要定期地進(jìn)行維護(hù)、檢修與養(yǎng)護(hù)，只有這樣才能真正地保護(hù)交通工具的結(jié)構(gòu)安全，從而延長(zhǎng)其使用周期。然而，現(xiàn)實(shí)的船舶養(yǎng)護(hù)與維修未能達(dá)到理想的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，一些交通運(yùn)輸船舶未能依照規(guī)定的周期和要求開展維護(hù)工作，使得船舶運(yùn)輸中面臨多種更加復(fù)雜的問題，甚至影響船舶的使用壽命。

1.4 船舶操作與運(yùn)行規(guī)范度

交通運(yùn)輸工具都有預(yù)測(cè)性的使用周期，如果交通工具能嚴(yán)格地依照設(shè)計(jì)的規(guī)定和操作規(guī)范來運(yùn)行則能減少其結(jié)構(gòu)受損度，增加船舶結(jié)構(gòu)牢固度，相反，如果未能依照科學(xué)的規(guī)范與規(guī)定來運(yùn)行則將影響船舶的使用周期，具體體現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)變形、局部受損等，船舶操作與運(yùn)行過程中可能涉及到多種預(yù)定的規(guī)范、規(guī)程，這需要船舶操作人員具備合格的素質(zhì)和專業(yè)水平，能夠切實(shí)地遵守操作規(guī)范來操作船舶，這樣才能真正地提高船舶運(yùn)行效率，確保船舶的運(yùn)行速度。

1.5 微裂紋未及時(shí)整治

船舶結(jié)構(gòu)疲勞一般是因?yàn)榇斑\(yùn)行中出現(xiàn)了微裂紋，微裂紋源自船舶運(yùn)行中船體自身的若干構(gòu)件承擔(dān)的超出預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)的荷載所導(dǎo)致的交變應(yīng)力，船舶運(yùn)行中并非各個(gè)構(gòu)件都完好無損，個(gè)別構(gòu)件存在缺陷或問題，出現(xiàn)氣泡、夾層等現(xiàn)象，當(dāng)船舶的交變應(yīng)力較大，超出了船體自身承擔(dān)的限度，則將引發(fā)微裂紋，然而，因?yàn)槲⒘鸭y尖端位置應(yīng)力相對(duì)集中，而且會(huì)跟隨應(yīng)力反復(fù)循環(huán)，導(dǎo)致微裂紋面積擴(kuò)大，當(dāng)微裂紋達(dá)到足夠大的范圍，船舶構(gòu)件將出現(xiàn)脆弱性斷裂，從而增加了船舶運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

2 船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法

2.1 S-N曲線法

S-N曲線法是船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的一大權(quán)威評(píng)估方法，不同于其他評(píng)估方法和理論，此方法一般適合用于疲勞強(qiáng)度評(píng)估的初始時(shí)期，因?yàn)椤昂暧^裂紋”理念被深入、全面地用在疲勞強(qiáng)度評(píng)估中，從而導(dǎo)致S-N曲線評(píng)估方法能被全面、妥善地運(yùn)用于船舶全周期疲勞評(píng)估中，這一方法的運(yùn)用必須達(dá)到規(guī)定的要求和標(biāo)準(zhǔn)，也就是結(jié)構(gòu)工藝與材料等所引發(fā)的裂紋并非會(huì)因?yàn)樵馐芡獠恳蛩氐母蓴_而變化消失，以及伴隨著時(shí)間的延續(xù)、變化而逐漸地靠近臨界值。此方法在實(shí)際應(yīng)用過程中，具體又包括以下方法：熱點(diǎn)應(yīng)力法、名義應(yīng)力法和切口應(yīng)力法等。經(jīng)過全方位地分析數(shù)據(jù)，能對(duì)應(yīng)繪制出對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度S-N曲線，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的全過程計(jì)算與評(píng)估，不同的評(píng)估方法對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)也有所差異，具體體現(xiàn)為：

熱點(diǎn)應(yīng)力法。優(yōu)點(diǎn)：S-N曲線數(shù)量少；缺點(diǎn)：KC需要較為復(fù)雜的計(jì)算，焊接點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力非線性特征。

名義應(yīng)力法。優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算簡(jiǎn)單、易操作，計(jì)算量??；缺點(diǎn)：精度變化較大，其中需要較多的S-N曲線數(shù)量。

切口應(yīng)力法。優(yōu)點(diǎn)：S-N曲線數(shù)量少；缺點(diǎn)：應(yīng)力需要較多的計(jì)算，焊接點(diǎn)應(yīng)力有較大的離散度。

2.2 裝載狀態(tài)評(píng)估法

按照船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度來評(píng)估，通常選擇最為簡(jiǎn)單、方便操作的方法，也就是將船舶的裝載狀態(tài)劃分為滿載、壓載，從而對(duì)船舶的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度來測(cè)評(píng)，以這兩大狀態(tài)為參考依據(jù)來計(jì)算工況，實(shí)際的壓載狀態(tài)下的工況計(jì)算過程中，通常要考慮到一種工況或多種工況，例如：ABS一般是要計(jì)算出10種裝載工況數(shù)，DNV、CCS、CRS等則需集中思考并計(jì)算滿載與壓載工況數(shù)，計(jì)算得的每一個(gè)工況數(shù)，都可以參照以往經(jīng)驗(yàn)、已有公式等來對(duì)應(yīng)算得各個(gè)工況數(shù)之下的某一個(gè)超越概率水平的波浪誘導(dǎo)荷載值與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)值，此時(shí)需要算得因?yàn)榇w自身運(yùn)動(dòng)使得船舶裝載貨物對(duì)于船舶本身的動(dòng)荷載的干擾度和影響度，現(xiàn)實(shí)計(jì)算操作中，應(yīng)算出船舶本體的梁荷載所導(dǎo)致的船舶梁應(yīng)力，同時(shí)，也要對(duì)應(yīng)算得因?yàn)橥獠克畡?dòng)壓力、船體運(yùn)動(dòng)等導(dǎo)致的船體內(nèi)部裝載貨物因慣性力等局部荷載所導(dǎo)致的局部壓力。同時(shí)，也要將船舶自身的梁應(yīng)力與局部應(yīng)力妥善結(jié)合，對(duì)應(yīng)算得可供參考的應(yīng)力值，得到此參考應(yīng)力值后，也需要參照參考應(yīng)力、以及其所對(duì)應(yīng)的概率水平，通過科學(xué)的計(jì)算就能對(duì)應(yīng)力某一時(shí)段的分布范圍得出數(shù)值的表現(xiàn)，并參照S-N曲線、Miner線性累積損傷理論等獲得船舶結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷度，從而對(duì)船舶的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度做出最合理的評(píng)估[3]。

2.3 船體梁應(yīng)力評(píng)估法

船舶以及其他水上交通工具在實(shí)際運(yùn)行中，都需要分析船體的梁應(yīng)力，其中要重點(diǎn)考慮到船體梁垂向彎矩、水平彎矩等引發(fā)的船體梁應(yīng)力，實(shí)際的波浪誘導(dǎo)垂向彎矩計(jì)算過程中，通常采用IACS計(jì)算公式，然而，實(shí)際計(jì)算過程中依然會(huì)出現(xiàn)較大的差距值，因?yàn)樗捎玫挠?jì)算方法有所差異，當(dāng)計(jì)算船體梁應(yīng)力以后，其組合模式也存在一定的差異性[4]。

2.4 設(shè)計(jì)波評(píng)估法

為了減少評(píng)估中的計(jì)算與運(yùn)算，可以選擇設(shè)計(jì)波法，這一方法和譜分析法有較大的差異，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)波方法一般是憑借控制工況來讓船舶結(jié)構(gòu)分析更加簡(jiǎn)單化、易操作化。

1）科學(xué)選擇設(shè)計(jì)波。船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度實(shí)際的評(píng)估過程中如果選擇設(shè)計(jì)波法，首當(dāng)其沖是要正確地選擇設(shè)計(jì)波，通過科學(xué)地選擇設(shè)計(jì)波才能更加準(zhǔn)確、高效地分析、判斷導(dǎo)致船舶疲勞受損的成因與設(shè)計(jì)響應(yīng)，實(shí)際的設(shè)計(jì)響應(yīng)判斷操作中一般包括荷載響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，而且實(shí)際計(jì)算與分析這2種響應(yīng)過程中，設(shè)計(jì)響應(yīng)中設(shè)計(jì)波的浪向、頻率等都可以充當(dāng)設(shè)計(jì)響應(yīng)傳遞函數(shù)的最大值所對(duì)應(yīng)的浪向與頻率。

2）應(yīng)力范圍的長(zhǎng)期分布。實(shí)際分析、評(píng)估船舶疲勞強(qiáng)度過程中，可以采用設(shè)計(jì)波的方法來計(jì)算、評(píng)估，也必須對(duì)應(yīng)力范圍的長(zhǎng)期分布來加以處理，對(duì)應(yīng)力范圍的長(zhǎng)期分布一般要借助Weibull來加以分析、處理，而且對(duì)梁應(yīng)力也要借助有限元模型來加以計(jì)算，同時(shí)，也要把水線附近的壓力非線性影響因素融入計(jì)算內(nèi)容中，從而確保應(yīng)力范圍分布的科學(xué)計(jì)算。

2.5 直接計(jì)算法

船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估還可以選擇直接計(jì)算法，相較于簡(jiǎn)化計(jì)算法，直接計(jì)算法重點(diǎn)是對(duì)波浪載荷直接加以計(jì)算，進(jìn)而算得疲勞載荷，并對(duì)應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)有限元分析法，以及相關(guān)的科學(xué)計(jì)算法來對(duì)應(yīng)算得疲勞應(yīng)力響應(yīng)以及應(yīng)力范圍，在疲勞強(qiáng)度直接計(jì)算方面，必須首先明確波浪載荷。一般來說，常規(guī)模式下，船舶結(jié)構(gòu)如果發(fā)生疲勞，多數(shù)是由于低海況波浪所導(dǎo)致的，船舶的類型不同，對(duì)于波浪荷載的影響度也不同，如果是滾裝船，散貨船，它們都有直舷特點(diǎn)，對(duì)于外形相對(duì)豐滿的船舶，很難因?yàn)橥鈴埮険魧?dǎo)致非線性荷載的變小，非線性波浪荷載本身也承載多種問題亟待解決，所以，線性波浪荷載條件下，船舶結(jié)構(gòu)疲勞度的強(qiáng)度估算是切實(shí)科學(xué)可行的，實(shí)際的評(píng)估操作中，可以選擇多種直接計(jì)算法，一般可以選擇譜分析法和設(shè)計(jì)波分析法。直接計(jì)算法運(yùn)用于船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估中，有著多方面的優(yōu)勢(shì)，其中需要重點(diǎn)計(jì)算疲勞載荷，譜分析法來評(píng)估船舶強(qiáng)度時(shí)，必須精準(zhǔn)地算出不同荷載之間的相位關(guān)系，而且也要對(duì)非線性波浪載荷對(duì)疲勞損傷所引發(fā)的因素給予高度關(guān)注。第一步，必須站在整體角度分析、計(jì)算船舶結(jié)構(gòu)疲勞的載荷；第二步，展開性地剖析船舶的勞應(yīng)力，可以采取短期預(yù)報(bào)、長(zhǎng)期預(yù)報(bào)等方式來加以計(jì)算，長(zhǎng)期預(yù)報(bào)主要是圍繞船舶整個(gè)生命周期內(nèi)不同狀況進(jìn)行的分析，也要對(duì)應(yīng)參照海量散步圖來對(duì)應(yīng)輔助地加以描述，短期預(yù)報(bào)則要重點(diǎn)考慮到短峰波、長(zhǎng)峰波與海浪譜等關(guān)鍵點(diǎn)。其中如果圍繞船舶疲勞應(yīng)力實(shí)施短期預(yù)報(bào)，具體的分析則適合選擇ISSC雙參數(shù)P-M譜，相反，對(duì)長(zhǎng)峰波、短峰波等的計(jì)算則適合選擇cos2函數(shù)。長(zhǎng)期預(yù)報(bào)一般是圍繞船體在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)所遭遇的多種情況、各種狀態(tài)展開的分析與研究，而且也要對(duì)海浪的散步圖加以分析和描繪。個(gè)別情況下，普遍認(rèn)為某些操縱參數(shù)和海浪無直接關(guān)系，然而，現(xiàn)實(shí)生活中卻未如此，這是由于個(gè)別氣候條件較差、環(huán)境惡劣的狀況下，特別是強(qiáng)風(fēng)、雷暴等發(fā)生時(shí)，船舶的運(yùn)行自然將遭受極大的影響和挑戰(zhàn)，甚至可能導(dǎo)致船舶失速現(xiàn)象，而且這些問題的出現(xiàn)也將導(dǎo)致壓載分布的變化，壓載將跟隨海水的變化而動(dòng)態(tài)浮動(dòng)，對(duì)此就要參照特殊的操縱參數(shù)來正確構(gòu)建模型[5]。

2.6 船舶荷載計(jì)算法

船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估的前提是要對(duì)船舶荷載進(jìn)行科學(xué)地計(jì)算，在眾多的計(jì)算方法中，一般選擇線2D切片法與線3D法，前者更能高效地呈現(xiàn)與預(yù)測(cè)出波浪的荷載，同后一種計(jì)算方法對(duì)比起來更加地省時(shí)省力，然而，若選擇譜分析法來對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞加以評(píng)估時(shí)，則要圍繞波長(zhǎng)、浪向組合的載荷實(shí)施大規(guī)模地計(jì)算與預(yù)報(bào)，其中需要投入特定的時(shí)間和精力，對(duì)此可以選擇2D切片法，然而，如果對(duì)船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度加以評(píng)估，則適合選擇3D法，這是因?yàn)榇朔椒▽?duì)于測(cè)算個(gè)別的存在航速、荷載分布導(dǎo)致船體水動(dòng)力問題的船體有著較好的效果，總體來看，3D方法更加實(shí)用，然而，若選擇譜分析法來評(píng)估船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度，則要計(jì)算荷載之間的相位關(guān)系，其中也要分析出非線性波浪荷載對(duì)疲勞損傷的干擾與影響，因此，目前一般選擇線性波浪荷載方法來評(píng)估船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度[6]。

3 結(jié)語

船舶結(jié)構(gòu)疲勞是多種因素同步施加所導(dǎo)致的，必須重視船舶結(jié)構(gòu)疲勞誘發(fā)因素的分析，從源頭上采取措施來控制船舶結(jié)構(gòu)疲勞，從而延長(zhǎng)船舶的運(yùn)行周期，減少結(jié)構(gòu)疲勞對(duì)船舶運(yùn)輸帶來的不良影響，提高船舶運(yùn)輸效率，創(chuàng)造理想的船舶運(yùn)行質(zhì)量，減少因?yàn)榇捌趲淼娘L(fēng)險(xiǎn)與其他危機(jī)。