某船关键结构典型节点疲劳寿命分析方法研究

朱雨生，曹俊伟

（1.中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南 洛阳 471000；2.中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064）

1 引言

近年来，海上执行任务越来越频繁，任务周期越来越长。海上波浪复杂多变，船舶在海上航行，在复杂海况下船体结构也随之产生交变响应。在交变载荷作用下，关键结构中应变应力较大的典型节点易发生疲劳问题。

针对船体结构典型节点疲劳强度问题，学者们开展了一系列研究。杨永祥等采用热点应力法对某一巴拿马型成品油轮疲劳热点位置处（内底与底边舱斜板的焊接折角）的疲劳应力进行了计算，并根据JTP 规范对热点位置的疲劳寿命进行了评估。范云等CSR 规范中的油船疲劳强度有限元分析的要求，采用直接计算的方法分析不同的节点形式对疲劳损伤的影响。本文针对某船的结构特点，确定了船体结构的危险剖面和典型节点评估位置。主要典型节点位于中部底边舱斜板与内底板的连接折角处、底边舱斜板与内舷板的连接折角处、甲板与槽形舱壁的连接处、内底板与槽形舱壁连接处，依据《船体结构疲劳强度指南》（2021），选取船体中部区域5 种典型节点对该船进行疲劳寿命评估。

2 总体介绍

2.1 船型介绍

本论文的对象船的船长77.8m，船宽14.8m，型深6.10m，吃水为4.7m。

2.2 计算工况

按照《船体结构疲劳强度指南》（2021）的规定，按规范初步核算下列工况：满载出港工况；空载到港工况。在计算波浪弯矩时取波峰或波谷在船中状态，对应中拱和中垂两种工况。两种工况装载情况如表1所示。

表1 作业工况组合表

2.3 计算载荷

依据规范载荷包括以下项目：垂向弯矩；舷外水压力；货物压力及液体压力，见图1和图2所示。

图1 舷外水压力加载图

图2 货物压力及液体压力加载图

2.4 边界条件

3 疲劳评估公式

3.1 热点应力计算

在船舶与海洋工程领域，世界各大船级社（DNV，CCS 等）基本都推荐采用t×t 的网格尺寸，取距焊趾0.5t和1.5t 处为计算参考点。在从有限元模型中提取热点应力后，进行插值，即由t/2 和3t/2 处的最大主应力外插得到焊趾（热点）处的应力，热点应力按公式（1）计算得到。

3.2 疲劳寿命评估方法

根据《船体结构疲劳强度指南》（2021），疲劳寿命评估按照下述方法进行计算。

结构节点在工况“（k）”时的累积损伤度Dk 应按下式计算：

S-N 曲线选用规范中CCS-C 曲线和CCS-D 曲线。K 和S取值见表2。

表2 K 和Sq 取值表

4 疲劳评估结果

4.1 评估疲劳热点

如图3（a）是中部51#肋位船底纵骨细化具体位置示意图，（b）中部51#肋位船底纵骨满载中垂应力云图对比图。

图3 51#底边舱斜板与内底板的连接折角处细化及其应力

如图4（a）是2 号和3 号货舱51#中间舱口角隅细化具体位置示意图，（b）2 号和3 号货舱51#中间舱口角隅满载中垂应力云图对比图。

图4 51#货舱中间舱口角隅细化及第一主应力

如图5（a）是中部60#肋位内舷侧与内底相交处细化具体位置示意图，（b）中部60#肋位内舷侧与内底相交处满载中垂应力云图对比图。

图5 60#内底板与槽型横舱壁连接处细化及其应力

如图6（a）是中部76#槽型舱壁与纵桁相交处细化具体位置示意图，（b）中部76#槽型舱壁与纵桁相交处满载中垂应力云图对比图。

图6 76#槽型舱壁与主甲板连接处细化及其应力

如图7（a）是80#强框架与主甲板和纵舱壁交接处细化具体位置示意图，（b）是80#强框架与主甲板和纵舱壁交接处满载中垂应力云图对比图。

图7 80#强框架与主甲板和纵舱壁交接处细化及其应力

5 结论

针对某船的结构特点，确定了船体结构的危险剖面和典型节点评估位置；依据规范，选取船体中部区域5种典型节点对该船进行疲劳寿命评估。疲劳寿命评估结果如下：

表3 典型节点疲劳评估结果

综上所述，得到如下结论：

（1）经过计算，典型节点1、2 和3 在满载和压载工况的热点应力最大值介于（80～110）MPa，但是对应的设计应力范围较小，评估得到的疲劳寿命远超过设计寿命30年；典型节点4 和5 在满载和压载工况的热点应力最大值介于（110～130）MPa，对应的设计应力范围最大值介于（40～50）MPa，评估得到的疲劳寿命介于（200～300）年，满足设计寿命30年的要求。

（2）通过对某船进行有限元计算及典型节点的疲劳评估，各典型节点均满足寿命大于30年的要求，满足规范需求。