船体结构疲劳评估的设计波法论文_ 陈亮

摘要：船体结构疲劳分析的直接计算方法能准确反映波浪荷载作用于船体的特性。此外，由于最直接的计算方法是通过对结构的应力响应进行有限元分析，因此这种方法能更好地反映结构的细节。但实践表明，基于谱分析的直接计算方法计算工作量较大，给实际应用带来诸多不便。鉴于谱分析法存在计算量大的问题，波法的设计方法值得考虑。该方法将Weibull分布的简化方法作为长期分布，将形状参数拟合按近似公式或按谱分析结果，尺度参数按规则波在船体结构应力响应中设置。识别出的波结构应力响应规律可应用于有限元分析技术中，因此设计波法具有能反映结构细节的优点，计算量相对较小。

关键词：船舶结构；疲劳评估；设计波法；散货船；

基于谱分析的疲劳评估直接计算方法是较为准确的船舶结构疲劳评估方法，但这种方法工作量大，给实际应用带来了诸多不便。因此，疲劳评定设计波法是引起人们关注的问题。为了更好的应用程序的设计波法,设计波法来说明的基本原理,并提出了一种新的疲劳评估方法设计波的选择,根据方法的一个典型的船舶结构疲劳评估,计算每个点的疲劳寿命。

一、设计波的概念

采用设计波法时,实质的问题就是如何确定设计波的参数,使得按它计算出来的船体应力范围能代表实际船体航行过程中一定超越概率水平的应力范围。正确的途径是通过船体波浪载荷的长期分析,得到规定超越概率水平或重现期的船体弯矩、扭矩等有代表性的主要载荷参数值,然后选择典型的规则波,使之产生与长期预报值相等的波浪载荷,由此来确定设计计算所用的波浪参数。目前,ABS、

DNV、GL等世界各主要船级社已在其船舶结构直接计算中采用设计波法来对各种载荷分量进行组合,但在如何选择和确定装载工况、设计波高、波长和航向角时,各船级社的做法却不尽相同。

二、设计波各要素的确定

1.频率和浪向。选定控制载荷参数，应用三维波浪载荷程序计算船舶在指定工况下各个控制载荷参数于不同浪向下的频率响应函数，及控制载荷参数的长期值。在浪向和波频范围内搜索，其中控制载荷参数的幅频响应最大值对应的浪向和频率即为由该控制载荷参数出发的设计波的浪向β和频率ω，由此得到该设计波的波长为

3.相位。由于相位的影响，不同瞬时设计波对应的各载荷成分的组合是不同的，因此在确定设计波的各要素后，要进一步根据控制载荷参数的相位，选定某一计算瞬时，使其对应着选定的主要载荷参数达到最大值的时刻。总之，确定设计波的流程为:选定装载工况→确定控制载荷参数→计算控制载荷参数的频响函数→计算控制载荷参数的长期值→确定设计波各要素→给出设计波下各载荷成分的计算值。

三、多控制载荷参数设计波共同作用下的应力范围组合

由于船舶结构疲劳应力是由多种载荷成分共同作用的结果。根据单一控制载荷参数选定的设计波，能较好地反映该控制载荷达到某一超越概率水平或长期值时船舶结构的应力响应，而并不能较好地反映寿命期间的多种载荷成分联合作用下的疲劳应力范围的概率分布。即，将单一控制载荷算得的结构应力范围代入式；

所得的尺度参数，并不一定对应于船体结构疲劳应力范围长期分布的尺度参数。只有联合考虑多种控制载荷的作用，才能得到具有某一超越概率水平的船体结构的疲劳应力范围，进而通过上式计算应力范围长期分布的尺度参数。为此，考虑基于不同控制载荷参数选择多个典型的设计波进行组合。为了考虑多种载荷成分的综合作用，找到结构所对应的合理的载荷组合方式，着眼于各个设计波对结构的应力响应，寻求一种应力范围的组合方法，具体如下:（1）分析结构的受力特点，选取适当的多种控制载荷参数，分别确定其对应的设计波参数;（2）计算结构在每一个设计波作用下的应力响应，得到应力范围;（3）以谱分析法所得疲劳参考应力范围为目标值，利用最小二乘法对各个设计波所得到的应力范围进行回归分析，得到对应的应力范围组合系数。

四、疲劳评估设计波的应用探讨

1.疲劳参考应力范围的确定。以5艘散货船为研究对象，计算工况取为轻压载，重压载，均匀装载及隔舱装载，建立各船的全船有限元模型。疲劳计算点取船舯内底与底边舱斜板的折角处。基于全球海况资料，浪向角取0°～360°，间隔30°，波浪频率范围为0.1～1.8 Hz，间隔0.1 Hz。计算得到各浪向角、频率下的应力响应后，需要对计算点处的应力进行拉格朗日插值来获取热点应力，。用谱分析法计算每艘散货船该节点在4种装载工况下的疲劳损伤，并按式

导出疲劳参考应力范围(即用于回归分析的目标值)。

2.计算点的控制载荷参数。本研究的疲劳计算点为内底板与底边舱斜板的折角处。该节点垂向位置距离中和轴较远，所以垂向弯矩引起的应力会比较大，同时其横向位置靠近舷侧，因此水平弯矩的影响也比较突出。内底板作为水平构件又承受水平剪力的作用。由于其处于折角处，扭矩的作用同样不可忽略。另外，利用通过计算发现，以首部垂向加速度为控制载荷参数的设计波计算出的该节点的应力响应较大，说明其对疲劳的贡献应予以考虑。通过上述分析，针对内底板与底边舱斜板的折角处这个节点，选定船舯垂向波浪弯矩MV、船舯水平波浪弯矩MH、船舯水平波浪剪力FH、船舯扭矩TM、首部垂向加速度AzBow这5种控制载荷参数对应的设计波，则式可以表示为

式中:S0，i为谱分析法所得损伤结果对应的参考应力范围;SMV，i，SMH，i，SFH，i，STM，i，SAzBow，i分别为船舯垂向波浪弯矩MV、船舯水平波浪弯矩MH、船舯水平波浪剪力FH、船舯扭矩TM、首部垂向加速度AzBow这5种控制载荷参数所决定的设计波诱导产生的应力范围;AMV，AMH，AFH，ATM，AAzBow分别为各应力范围对应的组合系数。

3.疲劳设计波的组合。选定某一装载状态，对每艘船(i=1，2，3，4，5)分别取上述5种控制载荷参数，确定设计波，计算该装载状态下的各设计波对应的疲劳计算点的应力范围，即SMV，i，SMH，i，SFH，i，STM，i，SAzBow，i。所得的该装载状态下各船的疲劳参考应力范围S0，i为目标值，对5艘船的结果进行最小二乘回归分析，即得该装载状态下的应力范围组合系数。需要指出的是，由于斜浪时船体结构在设计波作用下的应力响应具有不对称性，即船舶结构左舷与右舷同一节点处的应力是不同的，因此需要统一设计波应力响应对应的舷侧。表1中所给组合系数基于船体右舷的内底板与底边舱斜板的折角处的应力响应。

表1各设计波应力范围的组合系数

得到组合系数之后，就得到了适于散货船船舯内底与底边舱斜板折角处疲劳评估的设计波法组合。从而将给定装载状态下的计算点的疲劳分析简化为基于5种控制载荷参数的设计波系统下的结构应力分析及应力范围的组合。综上所述，本方法的计算流程可作如下归纳:选定载况，基于某一控制载荷，按照设计波的基本原理确定设计波系统的各参数，计算得到该设计波系统作用下的船体载荷及运动响应。将相应的设计波作用下的船体载荷施加到结构有限元上，计算该控制载荷所确定的设计波下的结构疲劳计算点的应力范围。再分别计算其他不同控制载荷所决定的设计波作用下的疲劳应力范围，进而按表1给出的应力范围组合因子进行组合，即得疲劳设计波法对应的疲劳参考应力范围。

总之，基于该组合系数，采用疲劳设计波法得到的节点应力范围与谱分析结果所得的参考应力范围吻合较好，疲劳分析的计算工作量大幅减少。提出的方法可进一步用于其他节点及船型的疲劳评估设计波法的研究中。

参考文献：

［1］张庆．船舶结构疲劳强度评估方法研究．2017．

［2］郎昕．浅谈船体结构疲劳评估的设计波法.2018.

论文作者: 陈亮

论文发表刊物:《科学与技术》2019年第17期

论文发表时间:2020/3/4

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