7 800车汽车滚装船疲劳强度评估

叶步永， 张 济， 翁旭辉， 刘在良

(1.扬帆集团股份有限公司， 浙江 舟山 316004； 2.浙江国际海运职业技术学院， 浙江 舟山 316021)

0 引 言

船舶在海上航行时，船体结构一直受到波浪力及船舶运动产生的惯性力作用，而波浪力和惯性力都是不断交变的动载荷，它们在船体结构内部引起交变应力，造成结构的疲劳损伤。汽车滚装船(Pure Car and Truck Carrier， PCTC)上层建筑的特点导致横向载荷较大，从而引起交变应力也高于一般船舶，因此疲劳破坏是PCTC船舶结构的主要破坏形式之一，疲劳问题越来越被重视[1-3]。

7 800 PCTC是扬帆集团股份有限公司建造的大型柔性设计的汽车滚装船，具有建造难度高、科技附加值高的特点。该船全长199.900 m，型宽36.450 m，型深34.275 m。全船分为13层甲板，设有2排立柱。该船主甲板以上采用柔性连接，通过柔性构件的变形结构获得可运动性，以防止其发生撕裂。正是由于柔性设计的特点，PCTC船立柱是船体构件的核心，承担主要应力。本文以二甲板连接处支柱为例，采用直接法评估疲劳寿命，基于DNV船级社的船体结构疲劳评估规范，利用MSC. Nastran读取并用插值法求得热点应力，最后根据S-N曲线对疲劳累计损伤进行评估[4]。

1 疲劳分析计算全过程

1.1 疲劳计算模型

本文利用MSC.Nastran程序对7 800 PCTC船进行建模。根据全船有限元应力评估结果，全船共选取76处区域进行疲劳评估，本文选取的是其中一根立柱的二甲板连接处。疲劳模型网格大小根据规范要求需在1/2t～2t之间(t为钢板厚度)，结合立柱区域整体的板厚，确定评估网格大小为50 mm ×50 mm，模型尽量采用四边形网格。疲劳有限元模型如图1所示。

图1 疲劳有限元模型

1.2 载荷及工况

1.2.1 载荷工况内容

根据DNV规范要求，7 800 PCTC船疲劳计算包含2个工况[5]，如表1和图2所示。

表1 载荷工况

图2 载荷工况示例

1.2.2 载荷工况主要参数的选取

(1) 倾斜工况LC1a的横向加速度Pt计算公式为

Pt=(ρH+ms)0.51/hat

(1)

式中：ρH为货物均布载荷；ms为每层甲板的自重；h为Weibull参数；at为波浪引起的横向加速度。

(2) 倾斜工况LC1a的海水压力Pe计算公式为

Pe=10ytan(Φ/2)

(2)

式中：y为载荷点距离船中的横向距离。

(3) 倾斜工况载荷模型如图3所示，分左倾和右倾。

图3 LC1a工况模型载荷示例

(4) 正浮工况LC1b的垂向加速度Pv计算公式为

Pv=(ρH+ms)0.5av

(3)

式中：av为波浪引起的垂向加速度。

(5) 正浮工况LC1b的海水压力Pe计算公式为

Pe=Pl-1.2(T-z)

(4)

(6) 正浮工况载荷模型如图4所示。

图4 LC1b模型载荷示例

1.3 疲劳评估

1.3.1 疲劳焊缝类型

疲劳焊缝类型分为3种：十字焊，非十字焊，标准节点(包括自由边)。本文以1条十字焊缝为例进行过程阐述，评估名义应力如图5所示，评估焊缝切口位置如图5箭头所示。

图5 LC1a模型位置及主应力图

1.3.2 十字焊的切口应力计算

公式如下：

Xs=t/2+Xwt·t

(5)

σh=(σm(Xs)+σb(Xs)·0.6)·β

(6)

σb=σs(Xs)+σm(Xs)

(7)

β因子选取90°计算公式：

β=1.20-0.04Xwt/t1+0.30(Xwt/t1)2

(8)

式(5)～(8)中：Xs为构件端部到计算点的距离；t为板厚；Xwt为焊脚高度；σh为热点应力；σm(Xs)为Xs处的膜应力；σs(Xs)为Xs处的表面应力；σb(Xs)为Xs处的弯曲应力。

1.3.3 有效热点应力

根据DNV规范，计算公式如下：

式(9)～(11)中： ΔσE为有效热点应力 ； Δσ1为第1次插值得到的应力；Δσ2为第2次插值得到的应力；Δσ⊥1为在模型中读取的垂直方向应力；Δσ‖1为在模型中读取的平行方向应力；τ‖1、Δτ‖1为在模型中读取的平行方向剪切力；α为焊接因数，手工焊取0.9，自动焊取0.8。

1.3.4 疲劳应力读取

读取其中9个网格的主应力，不仅需要包括上表面和下表面的主应力，还需考虑平行、垂直和剪切等3个方向。通过二次插值，可求得焊接热点上的主应力，再根据式(5)～式(11)，求得热点应力，倾斜工况ΔσLC1a=202.564 MPa，正浮工况ΔσLC1b=102.963 MPa。

切口应力还需考虑焊接因数和应力集中因数：应力集中因数在(t/25)0.25和1中取小者；焊接因数与焊缝的形式有关，全焊透焊接因数取1.05，深熔焊焊接因数取1.2，普通焊焊接因数取1.41[4]。

最终用于疲劳结构评估的合成应力Δσ0按下式计算：

式中：fm为平均应力折减因数；ρi为修正因数，与hGM相关联；ΔσLC1a为LC1a工况的热点应力；ΔσLC1b为LC1b工况的热点应力。

1.3.5S-N曲线选取

根据DNV规范要求选取D曲线[5]，非腐蚀环境焊缝采用Ⅰ曲线，非腐蚀环境基础材料采用Ⅲ曲线，腐蚀环境基础材料采用Ⅳ曲线，曲线的具体参数如表2所示，曲线如图6所示。

1.3.6 节点总累计损伤度

本文选取支柱节点，属于非腐蚀环境，节点的总累计损伤度Dn-c按下式计算：

表2 S-N曲线参数

图6 S-N曲线

1.3.7 疲劳寿命

将数据代入式(13)得Dn-c=1.051

2 结 语

(1) 本文通过7 800 PCTC船立柱的1条典型焊缝的疲劳评估，阐述疲劳评估的主要装载工况、疲劳载荷、应力范围的计算合成、热点应力的计算以及切口应力考虑的主要系数选取，另对疲劳年限评估各参数选取也有说明。

(2) 最终计算结果显示，该焊缝的疲劳年限是19 a，小于设计要求的20 a。优化方法主要有：①改善焊缝形状，如打磨焊缝表面、打磨焊缝在焊趾处的圆角；②减少焊接残余应力，如敲击、热处理等；③增加结构板厚、新增疲劳肘板等以减少名义应力。根据实际情况，最终船厂选取的方法是第①、②点。

(3) 疲劳评估除了与应力结果有关外，还与焊接形式、材质、初稳心高hGM值等有关。这些因素在疲劳评估中也非常重要，其中hGM值对于PCTC船取值非常重要，须综合考虑。

(4) 支柱区域应力已通过全船有限元应力和屈曲评估，但疲劳年限不足情况还存在，本文再次证明PCTC船支柱疲劳评估的重要性。

(5) 希望本文能够为其他大型PCTC船疲劳评估提供一定的理论参考。