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《大型船舶结构的疲劳强度校核方法_韩芸、崔维成》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、48卷第2期(总第177期)中国造船Vol.48No.2(SerialNo.177)2007年6月SHIPBUILDINGOFCHINAJune2007文章编号:1000-4882(2007)02-0060-08大型船舶结构的疲劳强度校核方法1232韩芸,崔维成,黄小平,吴有生(1.中国船舶及海洋工程设计研究院,上海200011;2.中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;3.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200030)摘要传统的船舶结构疲劳强度校核一般只考虑高周疲劳而忽略了低周疲劳。随着船舶结构向大型化发展以及最近海损事故的发生,低周疲劳问题引
2、起了船舶行业的广泛关注。Urm等人于2004年对装卸载引起的油轮船体结构的低周疲劳问题进行了研究,并给出了计算方法,但具体的计算结果没有给出,许多问题没有解决,因此有必要对船舶结构低周疲劳的原因及校核方法进行深入的研究。针对这一问题,首先分析了引起船舶结构低周疲劳的原因;其次,对现有的S-N曲线外推得到低寿命区S-N曲线的可行性进行了分析,并将外推得到的低寿命区段曲线和经过试验验证的低周疲劳寿命曲线进行了比较;最后分析了波浪载荷等引起的小幅疲劳载荷以及满载和压载引起的大幅疲劳载荷导致的疲劳损伤的相互作用,从而提出了一种非线性累积计算模型。关键词:船舶、舰船工程
3、;低周疲劳;S-N曲线;累积损伤中图分类号:U661.4文献标识码:A1引言自从Coffin-Manson曲线提出之后,低周疲劳(LCF)理论逐渐发展起来。LCF系指疲劳失效次数在4[1]10～10之间的高应变低循环疲劳。LCF理论不仅在试验研究方面而且在疲劳寿命预测模型方面都取得了很大的发展,业已建立了许多LCF寿命预测的宏观模型和微观模型。但是,LCF理论在船舶结构的疲劳寿命评估方面却未引起重视。直到最近海损事故的发生以及船舶结构的大型化才引起船舶行业[2]对低周疲劳问题的重视。Urm等人于2004年对油轮船体结构的低周疲劳问题进行了研究,初步给出了计算低
4、周疲劳的方法。但是,在他们的研究工作中仍有许多问题尚未得到解决,诸如¹何种船型的何种结构易发生低周疲劳;º所用的S-N曲线或E-N曲线如何确定;»高低周疲劳载荷引起的累积损伤计算方法如何确定;¼低周疲劳在船舶结构疲劳寿命中的影响有多大。因此,本文针对上述问题,就引起船舶结构低周疲劳的原因以及校核方法进行了研究。首先,分析了引起船舶结构低周疲劳的原因,认为满载和压载两种状态在结构不连续处产生的高应力(应变)幅是引起船舶结构低周疲劳的主要因素。其次,对现有的S-N曲线进行外推得到低寿命区的S-N曲线的可行性进行了分析,并将外推得到的低寿命区的曲线和经过试验验证的低
5、周疲劳寿命曲线进行了比较。最后,分析了波浪载荷等引起的小幅疲劳载荷和满载-压载引起的大幅疲劳载荷导致的疲劳损伤的相互作用,从而提出了一种非线性累积损伤的计算模型。收稿日期:2005-06-03;修改稿收稿日期:2007-02-1248卷第2期(总第177期)韩芸等:大型船舶结构的疲劳强度校核方法612船舶结构低周疲劳的起因及其评估方法2.1船舶结构低周疲劳的起因分析低周疲劳是由高应力幅引起的。在船舶结构中货物的装卸所引起的载荷即属于这类载荷。因此,存在低周疲劳的船舶必须满足两个条件:¹载荷工况变化较多且差别较大,如油船的满载与压载的交替出现;º船型足够大。根据
6、上述条件,分析了三类典型的大型船舶:散货船、集装箱船、油轮。三种船舶的装载时间分配系[3]数列于表1。表1时间分配系数船型满载压载散货船0.500.35集装箱船0.650.20油轮0.450.40由表1可见,油轮的满载、压载工况几乎各占一半,集装箱船多为满载工况,散货船介于两者之间。因此,油轮多为满载而出,压载而归,其引起的满载-压载应力幅较大,易发生低周疲劳。就船型而言,油轮受低周疲劳影响较大,散货船次之,集装箱船受低周疲劳影响最小。大的应力幅易在结构的不连续处产生低周疲劳,这和高周疲劳易发生区域是一致的。基于上述分析,本文选取油轮某节点作为校核点。2.2高
7、、低周疲劳评估方法[2]根据Urm所述,低周疲劳(LCF)、高周疲劳(HCF)的评估流程示于图1:HCF的载况计算为波浪动压力,LCF的载况计算选取装卸载引起的静压力。若设计寿命为20y,则HCF的设计循环次数8为6.3×10次,LCF最小设计循环次数为500次(主要针对油轮而言),但是,实际计算中通常乘以安全系数2.0。LCF的应力分量可以根据梁理论或者有限元分析得到。有限元分析时应该使得网格的大小等于厚度。对于LCF而言,由于大的塑性变形,应该使用应变-寿命曲线进行疲劳寿命计算,但是船舶结构疲劳寿命计算中多用应力-寿命曲线,因此,为了能够利用已有的应力-寿
8、命曲线,LCF的应力范围应该用塑性[4
