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8500eu集装箱船货舱区舱口角隅疲劳强度校核

1疲劳劳强度计算方法

在过去的几十年里，大型船型和高强度钢的广泛使用已经成为船结构中的主要破坏模式之一。与此相适应,世界上各主要船级社亦逐步颁布或修改各自的规范和疲劳强度校核的指导性文件。

船体结构的疲劳分析可采用简化计算法和直接计算法。简化计算法主要包括疲劳载荷计算、各应力范围分量的计算、应力范围的合成以及累计损伤度的计算及衡准。该方法形式简单、工作量小。与简化计算法相比,直接计算法步骤复杂,计算工作量大,也更完善。对于一些新颖的大型船舶,需要采用基于谱分析和有限元技术的直接计算法,以确切地进行船体结构的疲劳强度分析。

在实际工程中,对于大开口的集装箱船,通常需对典型的船体纵骨节点和货舱角隅进行疲劳强度校核。本文选择了8530TEU大型集装箱船船中No.5货舱区Fr181处角隅作为疲劳强度分析对象,在整船粗网格模型中直接建立该区域的细化网格模型。在此基础上,采用设计波法进行整船有限元直接计算,直接得到该舱口角隅处的各工况下的最大应力范围,最后基于S-N曲线法对其进行疲劳强度评估。

2疲劳分析

2.1应力循环次数s

根据IACS工作小组的建议,船舶结构的疲劳强度校核,统一采用基于S-N曲线和Palmgren-Miner线性累计损伤准则的疲劳累积损伤方法,简称S-N曲线法。

可由S-N曲线N(S)和应力范围S的长期分布密度函数fs(S)来计算船舶结构的疲劳损伤度D:

D=NT?∫∞0fs(S)N(S)dSD=ΝΤ?∫0∞fs(S)Ν(S)dS

式中,NT是船舶设计寿命期内的应力循环次数。若用Weibull分布来描述应力范围S的长期分布,则fs(S)可写成:

fs(S)=(γδ)Sr?1δexp[?(Sδ)r]fs(S)=(γδ)Sr-1δexp[-(Sδ)r]

式中,γ为Weibull形状参数,δ为Weibull尺度参数。

采用双折线形式的S-N曲线:

N(s)=As?m?当s＞sQ时N(s)=Cs?r?当s＜sQ时Ν(s)=As-m?当s＞sQ时Ν(s)=Cs-r?当s＜sQ时

疲劳损伤度D可以写成:

D=NTδmAΓ(mγ+1,z)+NTδrCΓ(rγ+1,z)D=ΝΤδmAΓ(mγ+1,z)+ΝΤδrCΓ(rγ+1,z)

许用应力范围[SR]为:

[SR]=[D?(lnNR)m/γNT[Γ(mγ+1,z)/A+δr?mΓ0(rγ+1,z)/C]]1/m[SR]=[D?(lnΝR)m/γΝΤ[Γ(mγ+1,z)/A+δr-mΓ0(rγ+1,z)/C]]1/m

其中,NR是船舶一生中一遇最大应力范围时的应力循环次数。

下文中,应力范围S将记为Δσ0,许用应力范围[SR]记为[Δσ0]。

2.2角父疲劳强度评估

采用设计波法计算得到舱口角隅的最大应力范围,设计波法本质上是一种简化的直接计算法。根据挪威船级社(DNV)的思路,采用该方法进行船舶结构的疲劳强度分析时,假定在104个波浪循环内遭遇极限载荷,即在10-4超越概率下求取舱口角隅的最大应力范围Δσ0。

基本步骤如下:

(1)确定10-4超越概率下的波浪载荷,如垂直弯矩、水平弯矩或扭矩,在集装箱船疲劳强度分析中,通常选择距船尾1/4L处扭矩,船中处垂直弯矩,船中处水平弯矩以及距船首1/4L处扭矩;

(2)计算一定波频范围内及浪向角范围内的波浪载荷传递函数幅值,选择出现最大值时的浪向和波频,并获得考虑所有浪向下的波浪载荷长期预报值;

(3)波幅由波浪载荷的长期预报值除以传递函数的最大值来得到;

(4)确定了波幅、波频和浪向后,则最大应力范围Δσ0为一个波浪循环下应力的最大值与最小值之差。

最后将舱口角隅各单元的最大应力范围Δσ0与疲劳强度衡准[Δσ0]比较,作出角隅疲劳强度评估。

本文采用挪威船级社(DNV)的SESAM程序系统进行计算。

38530吨大型集装箱船的中庭口角的疲劳率

3.1模型的建立及网格划分

建模时整个船体被分成五段:船尾-FR.83,FR.83-FR.143,FR.143-FR.251,FR.251-FR.359,FR.359-船首,如图1所示,模型中的板厚均扣除了腐蚀余量。图2为NO.5货舱区细化网格模型(左舷),右舷结构可由左舷结构关于中纵剖面对称得到。由于浪向以及质量分布等因素,结构的应力分布未必对称,因此疲劳强度校核时左、右舷角隅单元的应力范围计算需分别考虑。

细化网格模型范围包括:纵向从Fr179-Fr181,垂向从舱口围板顶板至二甲板,横向从外板至抗扭箱的最外侧纵桁。图3、图4所示分别为上甲板角隅(左舷)、舱口围板角隅(左舷)细化网格,角隅沿周长方向分别被12等分、8等分,且角隅与舱壁连接处网格足够细密,以尽量能够反映热点应力分布的梯度。此外,沿舱口角隅边缘布置一些假定的梁单元,