浅议船舶结构疲劳强度分析中的几个问题 李文孝

浅议船舶结构疲劳强度分析中的几个问题李文孝

发表时间：2019-08-14T11:11:24.590Z 来源：《防护工程》2019年10期作者：李文孝[导读] 随着我国造船工业的快速发展，对造船的技能也要求越来越严格，对船舶的质量也越来越严格。

武汉船舶设计研究院有限公司湖北武汉 430000 摘要:随着我国造船工业的快速发展，对造船的技能也要求越来越严格，对船舶的质量也越来越严格。而船舶结构疲劳问题是一直困扰船舶的质量和性能的一个很重大问题。它也是保障船体结构安全的关键性问题，受到了全国各个造船企业和国家的广泛关注。如果一旦船体结构疲劳，则会导致船体裂纹甚至会给船体造成不可预料的严重灾害，给船员和顾客带来生命危害和严重的财产损失，其后果带给人们

的都是毁灭性的，是人们所不能承受的。船体结构的疲劳程度是不那么好判断的，而且是具有隐蔽性和突发性的。所以在进行船体结构研究和设计时，一定要考虑船体结构的疲劳强度问题。深入了解船体结构疲劳的原因和预防方法，进行科学有效的处理。

关键词：船舶结构；疲劳强度；问题

引言

实船航行中的大量实践表明，如果船舶结构疲劳强度不足，将会导致船舶结构发生破坏的概率大大增加。因此，在船舶结构的失效模式中，疲劳破坏是其中主要的一种模式，尤其是典型节点部位的疲劳强度测试是重中之重。近些年来，船业制造广泛使用高强度钢，这就使得疲劳问题更为突出，越来越受到国内外研究人员的重视。

1.船舶结构疲劳介绍

1.1 产生原因

微裂缝的产生以及扩展的出现是结构疲劳产生的主要原因，微裂纹的存在是因为组成船体的构件都会存在一定的缺陷，这是不可避免的，比如构件有夹层、凹坑和气泡等问题，而这些构件又承受着载荷引起的各种交变应力，一旦交变应力达到一定程度，存在缺陷的构件将会产生微裂纹[1]。应力集中在微裂纹的尖端处，当应力反复作用在微裂纹处，将会加重裂纹的程度，一旦裂纹达到一定的限度，构件的脆性断裂就不可避免的会发生。

1.2 疲劳强度的评价

关于船舶结构疲劳强度的评估方法，目前世界上主要的船级社给出的有简化算法和直接计算法两种。在简化算法中，采用简化的公式计算疲劳载荷以及应力范围。另外应力还可以用有限元直接计算，在直接算法中，疲劳载荷是通过波浪载荷计算程序获得的，然后借助有限元分析得到疲劳应力范围和疲劳应力响应。两种方法相比，在反应结构的细节方面，简化算法更为详细，所以在对非常规船舶进行疲劳强度分析时比较适合，也普遍被各国船级社采用。对于直接计算法，一般有两种方法，谱分析法以及设计波法。谱分析法普遍借助线性理论，工作量比较大，极大的限制了基于谱分析的计算法的使用。在疲劳强度分析中，相对而言，设计波法的工作量比较少，而且能得到比较合理的结果，同时对于非线性疲劳载荷影响疲劳损伤的问题也能充分考虑到。但是，目前国内设计波法的理论发展还不完善，需要继续研究完善。

2.影响船体结构疲劳的因素

2.1结构几何因素

船体结构的几何形状会影响船体结构疲劳的强度，即会影响船体结构的使用年限。有的几何结构承受压力的能力较强，相同的压力，相同的挤压程度会由于几何结构不同，船体结构疲劳的强度因而会有极大的不同，所以造船师要把几何结构的承受力考虑进去，充分的利用几何的魅力，数学神奇的力量，把科学运用到生活中，这才是科学的伟大之处。

2.2焊接的形状

裂缝大多数发生在焊接处，所以焊接的形状十分的重要，焊接的程度也至关重要。焊接虽然看上去十分的简单，是一个苦力活，但其中却蕴含着很多的知识，焊接师要把焊接重视起来，要把焊接当成一种艺术，去做它，从而使焊接这门工作在造船业中发挥其应有的作用。而焊接中一个很重要的就是焊接的形状，这其中也体现着几何的魅力，知识的力量。把握好焊接的几何形状，这可以极大的有效的减缓船体结构疲劳的程度和年限，可以节约国家的资源，对国家的发展具有重大的作用。

2.3对称的加强形式

船体结构是要经常加固的，但不是进行加固就会产生效果的，或者是就算产生了效果但效果也千差万别，所以要加强就得加强到位。而影响加强效果的很重大的一个因素就是加强的形状，所以要把握好加强的形状，这也凸显这几何的重大作用，几何在制造业中起着巨大的作用。所以后辈们呀，一定要好好学习几何知识，只有这样，才可能更好的为国家的伟大复兴做出属于我们的贡献。

3.船体结构疲劳应力问题研究

因为船体结构出现疲劳的主要原因集中在应力范围方面，所以疲劳应力一般情况下均代指船体结构当中的波浪荷载。如果出现波浪荷载，会导致交变压力发生变化，影响交变压力范围。从近年来工作开展的情况来看，项目结构上增加的上节公式计算可以得出具体的波浪荷载数值，结合一些前些年常用的结构力学方法，可以计算出具体的应力范围数值，可以将这一应力范围数值作为基本设计的应力范围来看待。

3.1应力范围分量计算内容研究

如果使用前些年的传统结构力学方法来对相关环节进行计算，可以先设定具体的应力范围。应力范围设定可以按照应力范围的具体数值与船体局部的应力范围这两个环节进行计算。从整体上来看，应力的范围应当包含了垂向与水平波浪这两个方面的内容，分别定义为Sv 与Sh这两个部分，均通过波浪扭矩引发翘曲应力范围，将翘曲应力范围假定为Sw。从目前的工作开展情况来看，局部应力范围一般都会受到船舷外部海水动压力以及船舱内部货物压力这两个方面的影响，也会被舱壁等位置影响，导致板架的弯曲范围受限。梁体弯曲应当结合应力范围来确定，搭配结构力学公式来对相关的内容加以计算。

3.2S-N曲线中作用力幅值选择

船舶结构疲劳强度的估测办法中常见的有：物理模型实验法、经验公式方法、有限元剖析法。在对作用力幅值进行确定时，由于船舶构造的复杂程度不同，船舶的载重类型不同，这几种方法的精度并不相同。作用力幅值的作用主要体现在船舶疲劳期限的运算中，所以，应该选用合适的作用力幅值进行船舶结构疲劳期限的估算。目前，在估测船舶疲劳期限时主要有三种方法：第一种是名义作用法，这种方法的依据是截面的特性和船舶构件受到的作用力；第二种是热点作用力法，通常情况下，构造节点热点是船舶构造中比较容易出现裂纹的地方；第三种是切口作用力法，这种方法是指作用于焊接部位的峰值作用力，也包括因焊接使得船舶结构导致的集中作用力。

4.结束语

船体结构疲劳问题一直是困扰造船业的一个很大的问题，是不可避免的，但我们不可去不管它，我们只能尽量去减少其带来的灾害。只要我们把心放在这上面，想尽一切方法去做，肯定会起到很大的作用。而且不要用蛮力，虽然初衷是是好的，但一定要结果和初衷相契合。科学有效的去解决问题。而且研究船体结构疲劳的问题对于今后的造船业也有很大的帮助，其实践效果是及其的显著的，所以我们要弄清疲劳问题的原因、找到其修复及解决措施、防护措施，科学的、有效的去解决这个问题。相信船体结构疲劳问题定会得到很好的解决，相信造船业的前景将是一片美好。

参考文献:

[1]徐灏疲劳强度设计北京:机械工业出版社，2015

[2]黄祥鹿，邵文蛟疲劳分析中所需的外力研究报告，中国船级社上海规范研究所，2013