三体船疲劳损伤影响因素研究

张球球+陈超核

（华南理工大学，广州 510641）

摘 要：本文首先针对一艘航行于我国南海海域的三体船，建立全船有限元模型，并获得全船有限元应力，确定疲劳热点；进而利用所得的热点应力结合DNV规范，对影响三体船疲劳累积损伤的波浪载荷因素进行了研究。

关键词：三体船；疲劳热点；热点应力；波浪载荷因素

中图分类号：U661.4 文献标识码：A

1 引言

近年来，国内外掀起了一股三体船研究热。作为一种具有出色耐波性、稳定性、快速性的船型，国内外很多学者对其水动力特性进行了研究，但是在结构设计和强度评估方面的研究工作还相对落后，相关文献也比较少，加之三体船片体与连接桥的存在使载荷计算较为复杂，因此外载荷的准确估算较难，从而使得三体船的疲劳研究难度加大。

本文参考LR规范对某三体船进行全船的强度分析，在其连接桥处确定数个疲劳热点，利用谱分析方法对这些热点进行疲劳评估计算，并在此基础上对影响三体船疲劳累积损伤计算的因素进行研究。

2 疲劳损伤计算

本文所考察的三体船船长90 m、型宽24.56 m、型深11.7 m、设计吃水4 m，设计寿命为20年，其片体设置在主船体的尾部。有限元模型包括主体、片体、连接桥和上层建筑的主要结构，以及甲板板架、船底板架、舷侧板架、舱壁板架及主要框架和支柱。

2.1 船体载荷计算、整体强度分析及疲劳热点位置确定

在全船有限元模型的基础上，根据劳氏船级社的三体船规范相关规定，对该船进行加载并对其进行全船总强度计算分析。

依据分析结果，一共选取了连接桥处应力集中较为严重的五个节点进行疲劳评估计算：

（1）船尾处连接桥与侧体连接的根部位置，也就是连接桥尾部湿甲板与片体相连的位置；

（2）船尾处连接桥与主船体连接的根部位置，也就是连接桥尾部湿甲板与主船体的相交位置；

（3）距船尾6 m处，即船尾第一道横舱壁处，连接桥与主船体连接的根部位置；

（4）距船尾36 m处连接桥与主船体连接的根部位置；

（5）距船尾43 m处连接桥与主船体连接的根部位置，这一位置已经在连接桥首端附近。

获得疲劳评估的热点以后，为了能够更准确的反映热点位置附近区域应力梯度的变化，根据DNV和CCS的规范，对这些区域网格进行细化。

2.2 疲劳损伤计算

根据DNV的规范对波浪载荷进行直接计算，航向角范围取0～330°，共12个浪向，各浪向按等概率出现；规则波的圆频率范围取0.2～2 rad/s，间隔取0.05 rad/s。

利用中国船级社和哈尔滨工程大学联合开发的Compass-Walcs-Basic软件，依据已确定好的波浪载荷计算参数获得船体在各频率规则波中的运动响应和水动压力分布情况；然后将所得到的三体船船体水动压力及其他惯性力，根据不同的浪向以及圆频率分别施加到船体的有限元模型当中，得到热点周围区域在对应的航向角及对应的圆频率下热点应力的传递函数。

本文采用JONSWAP谱对该船进行疲劳评估，按下式计算疲劳累积损伤度：

（1）

式中：Td 为船舶的设计疲劳寿命；

ā和m 为所用S-N曲线的两个参数；

Nload 为所考虑的装载状态的总数；

Pn 为第n个装载状态所占设计时间的比例；

Γ（1+m/2） 为伽玛函数；

nS为海况分布资料中的海况总数；

nH为划分的航向总数；

pi 为第个海况出现的概率；

pj 为第j个航向出现的频率；

，为第n个装载及海况i和航向j下，应力交变响应平均过零率；

m0ij为应力谱的0阶谱距；

m2y为应力谱的2阶谱距。

3 三体船疲劳损伤计算影响因素

根据疲劳损伤线性累积法则，总的疲劳应力参数可由各短期海况的疲劳应力参数线性叠加而得。本文将主要分析和研究航行海域、季节、浪向、跨零周期等对三体船疲劳累积损伤计算的影响。

3.1 航行海域对疲劳损伤的影响

根据上面所提到的思路和参数，计算S1到S10 区域对应热点疲劳累积损伤度如表1所示，并将数据绘制成图1。

3.2 季节对疲劳损伤的影响

在计算各海域对应热点的疲劳累积损伤时，采用的计算资料为方钟圣西北太平洋波浪统计集[6]中的全年所有浪向波浪统計资料，各浪向出现概率均等。然而，对应海域在不同季节实际波浪统计资料有所不同，并且各浪向出现概率并非均等。本文以S7海域春、夏、秋、冬四季及全年波浪统计数据为计算资料，得出对应热点的疲劳累积损伤度，如表2所示。

3.3 浪向对疲劳损伤的影响

在计算S7海域对应热点的疲劳累积损伤时，各浪向出现的概率均等。然而，S7海域实际海况统计资料显示，各浪向出现的概率并非均等。根据方钟圣西北太平洋波浪统计集中S7海域全年波浪统计资料，将统计资料中的各浪向所占比例（如表3）作为计算疲劳累积损伤时各浪向的出现概率，计算结果如表4 。

3.4 跨零周期不确定性对疲劳损伤的影响

通过改变计算波浪谱的跨零周期，得出对应跨零周期下的疲劳累积损伤度。跨零周期的变化同样将西北太平洋波浪谱统计集获得的跨零周期定义为Tz，分别以0.05倍Tz为间距递增及以0.05倍的Tz为间距递减，得出热点3对应的疲劳累积损伤度，将所得数据绘制成图2。

4 结论

本文针对某一航行于我国南海海域的三体船，采用谱分析方法对该船进行了疲劳累积损伤分析，计算该船在不同海域、季节、浪向、波高及跨零周期条件下的疲劳累积损伤度，并得出以下结论：

（1）对三体船按规范进行加载，获得全船有限元应力，发现船体结构中，连接桥与主船体及片体相连接处容易产生应力集中，在分析三体船疲劳寿命时要重点考虑 ；

（2）海域不同、波浪参数及分布不同，计算所得的三体船疲劳累积损伤度也不同。S7海域对于三体船而言为疲劳累积损伤最严重海域，S2和S8海域为疲劳累积损伤较轻海域，其它海域疲劳累积损伤相差不大，故三体船在航行航线设计时，应尽量规避S7海域，更多的考虑S2和S8海域；

（3）季节不同，波浪参数及分布也不同，四季中春、夏两季疲劳累积损伤相对于秋、冬两季较小，冬季疲劳累积损伤最大，因此三体船应尽量减少冬季出航；

（4）在计算三体船疲劳累积损伤时，各浪向按等概率出现计算所得结果偏大，设计偏保守；

（5）三体船疲劳损伤随着有义波高的增大而增大，在 S1、S4、S6、S7海域疲劳累积损伤随着跨零周期的增大而减小，S2、S3、S5、S8、S9、S10海域疲劳累积损伤随着跨零周期的增大先增大后减小。

参考文献

[1] DNV-RP-C103. Column-stabilized units[S]. Det Norske Veritas， 2005.

[2] Rules For the Classifieation of Trimaran[S]. London： Lloyds Register， 2006.

[3] 彭营豪，刘见华，王福花. 三体船型疲劳强度评估和分析[J].中国造船， 2011，52（3）.

[4] 黄志远，严仁军，邓乐，侯超. 基于MSC_Fatigue的三体船连接桥疲劳寿命分析[J].船海工程，2008，37（6）.

[5] 船体结构疲劳强度指南[S]. 中国船级社上海规范研究所，2007.

[6] 方钟圣，金承仪，缪泉明. 西北太平洋波浪统计集 [M]. 国防工业出版社，1996.

[7] 文圣常，陈伯海，张大错，王伟，郭佩芳，台伟涛. 改进的理论风浪频谱[J]. 海洋学报，1990，12（3）.