客滚船车辆甲板疲劳强度评估

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(中国船级社 武汉规范研究所，武汉 430022)

承担三峡库区两坝间汽车转运的客滚船，其车辆甲板普遍发生局部裂纹或撕裂现象。在对损坏现场进行勘验后认为，车辆甲板的这种损坏很可能由疲劳引起。这类转运客滚船每天在两坝间航行达到4～5个航次，上下车频率达到480～600车次，在装卸车过程中会使甲板结构产生较大的交变应力。因此通过进行车辆甲板的疲劳分析，来评估其抗疲劳能力十分必要。

在对当前各种疲劳分析方法进行研究后，制定出一种适用于车辆甲板疲劳强度的计算方法，该方法的特点有：①计算选用“标准疲劳车”； ②客滚船装卸货在港内操作，不考虑波浪载荷的影响；③疲劳累积损伤用基于S-N曲线和Palmgren-Miner线性累积损伤理论的方法计算；④采用热点应力范围校核，即采用与热点应力对应的S-N曲线；⑤采用雨流法计算应力范围。

1 确定疲劳评估方法

客滚船车辆甲板疲劳损伤是由装卸过程中移动的车载所产生的，而目前《船体结构疲劳强度指南》[1]关于船体结构的疲劳分析是基于交变的波浪载荷，因此传统的船体结构疲劳强度计算方法已不适用。

另一方面，虽然客滚船的车辆载荷具有车型和装卸次数均不确定的特点，但与公路桥重车道相比，却具有极大的相似性：①不同车型出现的概率基本相同；②疲劳均由车辆移动带来的结构应力变化而产生；③公路桥与客滚船均为钢质结构，可以基于相同的S-N曲线和线性累积损伤理论进行评估。因此《钢桥疲劳设计》[2]中关于疲劳评估的基本方法同样适用于车辆甲板疲劳分析。参照《钢桥疲劳设计》提出了适用于客滚船的车辆甲板疲劳评估方法[3-4]。

2 确定疲劳载荷

车辆甲板疲劳设计和疲劳剩余寿命的评估中不应采用最不利情况的强度设计荷载，而应采用疲劳荷载，即车辆甲板设计基准期内实际承受的运营载荷的总和，来计算它们对车辆甲板的累积损伤。

车辆疲劳荷载应按不同车辆荷载的大小及出现次数将其全部列出，即荷载谱，或称荷载频值谱。为应用方便，在疲劳损伤累积等效原则下，疲劳设计和疲劳损伤评估中均采用标准疲劳车辆模型，即将各种不同车型转换为标准模型来使用。参照《钢桥疲劳设计》并结合内河实船营运状况，可确定“车辆甲板标准疲劳车”，其参数见图1。其中14 t轴负荷与《钢质内河船舶建造规范》[5]的规定一致。

图1 车辆甲板标准疲劳车轴重布置

按同种车型频次保持不变的原则，从《钢桥疲劳设计》中以标准疲劳车的“车重kw-频次kf”参数表，可推算得到车辆甲板标准疲劳车的“车重kw-频次kf”参数，见表1。

其中kw按14 t轴负荷换算得到。

表1 车重kw-频次kf

3 确定计算工况

船舶强框架间距一般为1.5～2.5 m，车轮载荷的影响线一般小于2.5 m，故选取两前轴(或两后轴)为典型加载形式。

选取强横梁与甲板板连接部位进行热点应力计算，产生应力极值时车轮和热点相对位置，即为适用的计算工况，见表2。

表2 计算工况

4 疲劳累计损伤计算

根据Palmgren-Miner线性累积损伤理论，按以下步骤评估疲劳损伤度。

1)计算标准疲劳车在热点处产生的应力值(计算工况见表2)，并按照图2画出应力历程曲线。

图2 强横梁与甲板连接部位热点应力历程曲线

2)按雨流法计算应力历程曲线中的应力范围S1和S2。

3)累积疲劳损伤度D按下述公式进行计算。

(1)

m——S-N曲线E曲线的反斜率，一般取3；

K——S-N曲线E曲线参数，取1.026×1012；

N——年装卸频次。

4) 结构在设计寿命期间内的累积损伤度D应满足D≤1.0的要求。

5 实例分析

5.1 选取的典型客滚船车辆甲板主要构件尺寸

选取的典型客滚船车辆甲板的主要构件尺寸如下(按32车计算)。

强构件间距 1 500 mm

纵骨间距 345 mm

载车甲板厚度 8.0 mm

船底板厚度 8.0 mm

甲板纵骨 ∟90×56×8

船底龙骨 ⊥5×350/8×80

船底纵骨 ∟75×50×6

实肋板 ⊥5×350/8×80

甲板纵桁 ⊥6×350/10×100

5.2 计算模型

纵向取一个舱室的范围，横向取中纵舱壁至内舷纵舱壁的范围，垂向取整个型深范围。模型中甲板、船底板用壳单元模拟，实肋板、纵桁及龙骨腹板用壳单元模拟，面板用梁单元模拟，纵骨用梁单元模拟，支柱和撑材用杆单元模拟。网格大小取300×500，精细网格大小取10×10。模型总图见图3。

图3 计算模型

5.3 边界条件

在模型范围内的横舱壁和纵舱壁处采用简支约束。

5.4 应力范围和寿命计算

在热点附近受力构件的表面上选取4个有限元单元，插值点处的最大主应力σ应根据所选有限元单元中心处的最大主应力用拉格朗日插值法求得，计算结果见表3，应力历程曲线见图4。

表3 热点应力计算结果

图4 应力历程曲线

根据上述方法计算应力范围和寿命。

S1=110.08，S2=110.08-12.03=98.05。载车数为32车，假设平均日装卸4次，则年装卸频次为42 240次，代入累计损伤度计算公式：

0.192 57×(110.083+98.053)×

66×42 240/1.026×1012=1.19

即假设年装卸频次为42 240次，该典型客滚船的车辆甲板疲劳强度不能满足要求，疲劳寿命约为27.7年。

6 结论

1)客滚船车辆甲板的疲劳强度值得关注，强度不足时可能产生裂纹或撕裂，如川江转运客滚船。

2)提高疲劳强度的最有效的方法是降低其应力范围，对于客滚船来说即降低应力历程中最大应力值。加大车辆甲板板厚，减小纵骨间距，可较大程度降低该值。

3)检验方应加强与跳板结构相连的首部甲板结构的检验，发现损伤及时修复或加强，避免损伤扩展。

[1] 中国船级社.船体结构疲劳强度指南[S].北京:人民交通出版社, 2007.

[2] 钱冬生.钢桥疲劳设计[M].成都:西南交通大学出版社,1986.

[3] 詹志鹄，夏鸿禄.船舶纵向构件疲劳评估的热点应力方法[J].船海工程，2007,36(4):15-19.

[4] 王然章.采用简化方法的船体结构疲劳强度校核[J].中国造船，1999 (2):59-68.

[5] 中国船级社.钢质内河船舶建造规范[S].北京:人民交通出版社, 2009.