基于HCSR 與CSR 規(guī)范的散貨船艙口角隅疲勞計(jì)算方法

李旭

(中國(guó)船級(jí)社技術(shù)研究開發(fā)中心，北京100007）

基于HCSR 與CSR 規(guī)范的散貨船艙口角隅疲勞計(jì)算方法

李旭

(中國(guó)船級(jí)社技術(shù)研究開發(fā)中心，北京100007）

對(duì)于疲勞載荷的概率水平,HCSR規(guī)范調(diào)整較大,由原來CSR規(guī)范的10-4調(diào)整為現(xiàn)在的10-2,有關(guān)研究［3-5］表明構(gòu)成疲勞累積損傷的概率水平主要集中在10-5以下的概率水平,其中10-2對(duì)疲勞累積損傷貢獻(xiàn)最大,見圖1?；谏鲜鲈?HCSR規(guī)范選取10-2作為疲勞載荷的概率水平。

圖1 概率水平p與累積損傷的關(guān)系

1.2 應(yīng)力范圍長(zhǎng)期分布

HCSR與CSR-BC規(guī)范對(duì)于應(yīng)力范圍的分布函數(shù)均應(yīng)用weibull雙參數(shù)分布模型,形狀參數(shù)ξ均取1.0。Weibull形狀參數(shù)是研究船舶疲勞強(qiáng)度的一項(xiàng)重要參數(shù),大量的研究結(jié)果表明,疲勞損傷對(duì)形狀參數(shù)十分敏感［6-8］,形狀參數(shù)ξ一般是根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的海洋環(huán)境、結(jié)構(gòu)類型及響應(yīng)特性以及構(gòu)件在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的位置等因素來確定,數(shù)值一般是在0.7～1.3之間。疲勞載荷的概率水平取為10-2時(shí),Weibull形狀參數(shù)ξ從0.8變化到1.2,對(duì)疲勞壽命的影響很?。?］,所以HCSR規(guī)范中配套選取ξ=1.0和10-2的概率水平的做法可以有效消除由形狀參數(shù)ξ選取帶來的誤差影響。

1.3 應(yīng)力范圍計(jì)算方法

1.3.1 HCSR艙口角隅應(yīng)力計(jì)算方法

對(duì)于HCSR規(guī)范,艙口角隅疲勞強(qiáng)度直接計(jì)算評(píng)估的應(yīng)力范圍采用熱點(diǎn)應(yīng)力,對(duì)于網(wǎng)格劃分密度有著一定的要求(見圖2)。應(yīng)力的提取基于在有限元模型中角隅板網(wǎng)格邊緣建立一系列厚度與板材厚度相同,寬度近乎忽略的虛擬梁?jiǎn)卧?在評(píng)估結(jié)果中提取梁?jiǎn)卧妮S向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的組合。取各載荷工況中的修正后應(yīng)力范圍最大值作為所考慮裝載工況下的疲勞應(yīng)力范圍,所考慮的裝載工況見表3。

1.3.2 CSR-BC艙口角隅應(yīng)力計(jì)算方法

對(duì)于CSR-BC規(guī)范,計(jì)算艙口角隅評(píng)估的應(yīng)力范圍采用的等效切口應(yīng)力,主要是基于簡(jiǎn)化應(yīng)力方法利用理論公式計(jì)算波浪轉(zhuǎn)矩引起的名義應(yīng)力范圍,計(jì)算模型基于船體結(jié)構(gòu)二維橫剖面,并根據(jù)艙口角隅的具體尺寸計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù),將名義應(yīng)力轉(zhuǎn)換成熱點(diǎn)應(yīng)力,進(jìn)而乘以疲勞切口因子轉(zhuǎn)換成疲勞等效切口應(yīng)力。此過程中不單獨(dú)考慮均勻裝載、隔艙裝載、正常壓載及重壓載這些實(shí)際裝載工況的影響。

圖2 艙口角隅建模要求

表3 HCSR疲勞評(píng)估的裝載工況

1.4 應(yīng)力范圍的修正

疲勞評(píng)估中影響評(píng)估結(jié)果有很多因素［9］,需要對(duì)應(yīng)力進(jìn)行修正,對(duì)于艙口角隅應(yīng)力范圍的修正,主要考慮如下。

1.4.1 平均應(yīng)力的影響

對(duì)于母材,CSR-BC規(guī)范中平均應(yīng)力修正因子恒取fmean,j=0.77。HCSR規(guī)范中的平均應(yīng)力修正系數(shù)是基于CSR OT和CSR BC方法的進(jìn)一步發(fā)展。HCSR規(guī)范中以修正因子的形式考慮了平均應(yīng)力的影響,公式中考慮了殘余應(yīng)力、拉壓狀態(tài)、局部應(yīng)力集中等影響因素,規(guī)范公式如下。

式中:σmax——所有裝載工況和所有載荷工況下的平均應(yīng)力與10-2概率水平下應(yīng)力范圍和的最大值;

σmcor,i(j)——修正后的平均應(yīng)力;

σmean,i(j)——疲勞平均應(yīng)力。

1.4.2 板厚修正的影響

HCSR和CSR均有板厚修正公式,對(duì)于凈板厚22 mm以上的評(píng)估節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力范圍進(jìn)行板厚修正。不同之處在于CSR-BC的板厚修正指數(shù)恒取0.25［11］,而HCSR需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)不同而選取。對(duì)于艙口角隅的板厚修正方法,CSR-BC規(guī)范中的方法為修正因子恒取fthick=1.0,即不進(jìn)行板厚修正;而HCSR的艙口角隅板厚修正方法見表4。

表4 艙口角隅板厚修正方法對(duì)比

文獻(xiàn)［4］表明,對(duì)于母材自由邊(base materi al)的疲勞評(píng)估需要考慮板厚效應(yīng)的影響,推薦的板厚修正指數(shù)為n=0.1。

1.4.3 材料系數(shù)修正

對(duì)于艙口角隅的疲勞評(píng)估,HCSR和CSRBC均考慮了不同材料屈服極限(ReH)帶來的影響,修正公式相同,如下。

1.4.4 腐蝕環(huán)境的影響

對(duì)于腐蝕環(huán)境的考慮,HCSR和CSR均有特點(diǎn)方法考慮,CSR-BC考慮的方式是通過腐蝕環(huán)境修正因子fcoat來實(shí)現(xiàn)的,方法如下。

對(duì)于壓載艙和燃油艙,fcoat=1.05;

對(duì)于干散貨艙和空艙,fcoat=1.03。

HCSR所考慮腐蝕環(huán)境影響的方法是通過腐蝕環(huán)境中的S-N曲線來專門考慮的,對(duì)于規(guī)范中規(guī)定的假定在腐蝕環(huán)境時(shí)間段內(nèi)的累積損傷需根據(jù)腐蝕環(huán)境S-N曲線進(jìn)行計(jì)算,具體見2.5和2.6所述,從而體現(xiàn)腐蝕環(huán)境對(duì)疲勞壽命的影響。

1.5 S-N曲線的選取

CSR-BC規(guī)范因考慮的是疲勞等效切口應(yīng)力,在CSR-BC中對(duì)于任何節(jié)點(diǎn)形式的疲勞評(píng)估均采用了B曲線;HCSR規(guī)范中選取的S-N曲線是基于Den和HSE的B,C,D 3根S-N曲線,對(duì)于焊接節(jié)點(diǎn)采用的D曲線評(píng)估,對(duì)于母材采用B或C曲線,采用B或C曲線需要根據(jù)不同建造工藝來選擇,見表5、6。同時(shí)HCSR增加考慮腐蝕環(huán)境中的S-N曲線,用于計(jì)算節(jié)點(diǎn)在腐蝕環(huán)境時(shí)間內(nèi)的疲勞累積損傷,腐蝕環(huán)境中的S-N曲線不考慮斜率的變化,見圖3。

表5 腐蝕環(huán)境下的S-N曲線

表6 空氣中S-N曲線

圖3 S-N曲線

1.6 累積損傷計(jì)算方法

1.7 疲勞壽命計(jì)算方法

HCSR中的疲勞壽命計(jì)算分為2個(gè)區(qū)間。

式中:Dair——所有裝載工況,空氣中的累計(jì)損傷總和;

Dcorrosive——所有裝載工況,腐蝕環(huán)境中的累計(jì)損傷總和。

2 實(shí)船計(jì)算分析

以某散貨船為例,應(yīng)用CCSDSA TOOLS工具對(duì)該散貨船重壓載的艙口角隅進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化［10］。

首先以橢圓型角隅(尺寸1 200 mm×600 mm)為研究對(duì)象,完成CSR和HCSR的疲勞強(qiáng)度評(píng)估?；谠撃Ｐ?結(jié)合表7完成不同尺寸(R= 600 mm,R=900 mm,R=1 200 mm)不同建造工藝下圓弧型艙口角隅基于HCSR的疲勞評(píng)估,船體主尺度見表8,有限元模型及評(píng)估部位見圖4、5,對(duì)比計(jì)算結(jié)果見表9。

表7 工藝方法與母材S-N曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表8 評(píng)估船主尺度參數(shù)

圖4 艙口角隅有限元模型

圖5 艙口角隅尺寸設(shè)計(jì)

表9 艙口角隅設(shè)計(jì)尺寸實(shí)船計(jì)算結(jié)果 年

3 結(jié)論

對(duì)于艙口角隅的疲勞評(píng)估,與CSR-BC規(guī)范中的簡(jiǎn)化應(yīng)力方法相比,HCSR規(guī)范建立了一套基于有限元的疲勞評(píng)估方法,并對(duì)整個(gè)評(píng)估過程的各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)均做了較大的調(diào)整,從載荷體系(概率水平10-2)、應(yīng)力范圍計(jì)算及修正方法、SN曲線選取到疲勞累計(jì)損傷及疲勞壽命計(jì)算,更加注重理論依據(jù)。

通過兩種規(guī)范的實(shí)船計(jì)算對(duì)比可以看出, HCSR艙口角隅的疲勞要求要高于CSR,這對(duì)今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)帶來影響。

1)基于HCSR規(guī)范不同處理工藝(見表9)下的疲勞評(píng)估,可以看出建造工藝會(huì)給疲勞評(píng)估結(jié)果帶來很大的影響,現(xiàn)場(chǎng)施工中注意切割方法的選取,盡量保證角隅板加工成形后應(yīng)有良好的圓角和光滑的邊緣,提高母材可使用的S-N曲線等級(jí)。

2)基于HCSR規(guī)范,在鋼材用量相同的條件下,與橢圓形艙口角隅相比,圓弧型的艙口角隅的疲勞強(qiáng)度要高于橢圓形艙口角隅。參見表9中橢圓型艙口角隅(1 200 mm×600 mm)和R=900 mm的圓弧形艙口角隅的評(píng)估結(jié)果,建議在設(shè)計(jì)中考慮采用圓弧形艙口角隅的設(shè)計(jì)形式。

3)圓弧形艙口角隅的疲勞壽命與半徑R有著密切的關(guān)系,增大半徑可以提升疲勞壽命。但這需要同時(shí)兼顧考慮散貨船營(yíng)運(yùn)中對(duì)裝卸貨的影響。

［1］IACS.Common structural rules for bulk carriers and oil tankers［S］.International Association of Classification Society,2014.

［2］IACS.Common structural rules for bulk carriers［S］.International Association of Classification Society,2012.

［3］IACS.HCSR technical background［S］.International Association of Classification Society,2014.

［4］POLEZHAYECA H,BADGER C.Effect of plate thickness on fatigue strength of basematerial and buttwelded specimensmade from EH40 steel thick plates［C］∥19thInternational offshore and polar engineering conference, Osaka,2009:366-373.

［5］高 峰,任慧龍.HCSR疲勞載荷概率水平及形狀參數(shù)的研究［J］.船海工程,2013(6):22-24.

［6］杜嘉立,楊鹽生,鄭云峰,等.船舶疲勞強(qiáng)度校核中Weibull形狀參數(shù)的影響［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào), 2003,3(2):31-33,87.

［7］崔維成,蔡新剛,冷建興.船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度校核研究現(xiàn)狀及我國(guó)的進(jìn)展［J］.船舶力學(xué),1998,2(4):63-81.

［8］胡毓仁,陳伯真.船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析［M］.北京:人民交通出版社,1996.

［9］崔維成,劉 濤,祁恩榮,等.散貨船疲勞強(qiáng)度校核的確定性方法［J］.船舶力學(xué),2000,4(1):37-48.

［10］單威俊,伊金秀,李 鋒,等.艙口角隅處網(wǎng)格劃分方法研究［J］.船海工程,2008,37(1):10-14.

［11］Kim W S,Lotsberg I.Fatigue test data for welded connections in ship shaped structures［J］.Journal of offshore and arctic engineering,2005,127(11):359-365.

On Fatigue Strength Assessment for Hatch Corner of Bulk Carrier Based on HCSR and CSR

LIXu
(Technology Research Development Centre,China Classification Society,Beijing 100007,China)

In order to study the effectof the harmonized rules in fatigue assessment,the fatigue strength requirements of the hatch corner for bulk carriers in HCSR and CSR are analyzed.The fatigue life for hatch corner of one bulk carrier is calculated according to the CSR and HCSR respectively.Comparingwith the results shows that the requirement of fatigue strength for hatch corner in HCSR is improved.Some recommendations for design of the hatch corner are proposed.

fatigue assessment;hatch corner;CSR;HCSR;comparison analysis