淺議利用有限元方法分析船體結構疲勞

楊勝苗（臺州市海順船舶設計有限公司，浙江臺州　318000）

?

淺議利用有限元方法分析船體結構疲勞

楊勝苗
（臺州市海順船舶設計有限公司，浙江臺州318000）

【摘 要】船體結構是整個船舶在制造過程中的重點環(huán)節(jié)，同時也是船員日常維護時所需要注意的關鍵所在。船舶在海上航行時，海浪對船的作用力及船舶運動產生慣性力，造成船體結構的疲勞損傷，一旦船舶的結構出現(xiàn)了問題，那么船舶的疲勞破壞就會加大，進而對整個船舶的安全性能造成嚴重的威脅。通過結合一些相關的軟件，船舶的設計人員就能夠對整個船的疲勞強度的分布情況進行詳細的了解，進而更好的針對船舶可能出現(xiàn)的問題進行結構優(yōu)化，保證遭受疲勞動載荷的船體結構有足夠的疲勞壽命。

【關鍵詞】有限元法船體設計結構疲勞

船舶在設計的過程中，主要有兩個設計的主流方向，第一是對船舶的尺度形式以及外在功能進行改良和創(chuàng)新，第二就是將高強度鋼合理的應用到船舶結構中。為了對船舶設計中的疲勞安全水平進行了解，保障船舶結構在營運時的安全性，就需要對船舶的結構疲勞程度進行分析，以此來降低船舶在日常維修中的成本。有限元法則能夠通過軟件來對船舶的結構設計進行一個科學的評估。

1　船體結構疲勞的確定

船體結構疲勞是由載荷時間、歷程以及載荷所引發(fā)的應力共同引起的，因此對船體結構進行疲勞程度確定時，首要步驟是對船體所受荷載的時間、歷程進行估算，以此條件有針對的進行演算。一般來說，載荷的時間以及歷程分為兩種，一種是周期循環(huán)的，另一種是隨機變化的，依據(jù)不同的時間歷程來制定不同的曲線形式，這是確定船體疲勞程度的第一環(huán)節(jié)；然后對船體的載荷進行處理，對于具有周期特性的情況，針對一種工況進行分析就可以，對于隨機變化的情況，則通常用簡化確定、頻域分析以及時域分析的方法進行確定。簡化法是掌握其中的一種工況，頻域分析法是需要掌握100～1000組工況才能夠確定，而時域分析法則是通過長期的觀察某一塊海域所統(tǒng)計出來的數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過相關的轉變得到答案。實際上海域受到天氣、季節(jié)等條件影響的情況較大，因此在通常情況下，會在三種方法上進行一定的改進，以用來克服正態(tài)假定過程中的局限性。

2　船體結構疲勞的分析方法

2.1S—N曲線方法

S—N曲線方法可細分為名義、熱點以及切口應力法，名義應力又分為局部應力以及焊接點應力，其是導致船體結構疲勞破裂的主要因素，當船體本身的結構與海水相接處時，局部應力也是導致船體腐蝕破裂的重要原因。

2.2斷裂力學的分析方法

斷裂力學法通常要假定結構中預先存在著初始裂紋，所以最適用于疲勞壽命主要由裂紋擴展階段所決定的結構和工況。該方法對于確定結構的剩余疲勞壽命以及對建造中業(yè)已存在疲勞缺陷的構件疲勞壽命評估具有重要意義。

2.3壽命預測的不確定性

在進行疲勞壽命的預測中海況可能存在以下的一些不確定性，即載荷判定過程，如作用方式、作用區(qū)域；應力計算過程；不同疲勞分析方法的選用；對一些深層次影響因素的處理，如平均應力、環(huán)境效應、腐蝕等。這些因素通常會導致建模過程中的不確定性，通常對它們的處理是采用安全系數(shù)以及一些偏于安全的假定或者采用基于概率理論的可靠性方法。

圖1　整體船的有限元模型

3　船體結構發(fā)生疲勞區(qū)域的判定

其一，交變荷載或者應力；其二平均應力以及殘存應力，這兩個應力對船舶的影響較大；其三，應力集中，在結構的關鍵以及突出的部分；其四，材料，高強度鋼所制造的構件其也要承擔更大的應力，進而更容易發(fā)生疲勞；其五，環(huán)境條件以及實際營運，實船在營運中的情況是檢驗疲勞區(qū)域最可靠的依據(jù)，新的結構往往是最早發(fā)生疲勞破壞的，因此在設計中也可以進行實踐研究。

4　建模及結果

如圖1是整體船的有限元模型，在通關相關的軟件進行數(shù)據(jù)的處理后，可以得到模型仿真后的結果，采用有限元法來對這些區(qū)域進行分析，能夠更好的掌握其疲勞的數(shù)據(jù)，為船舶結構疲勞的深入研究起到積極作用。依據(jù)相關的規(guī)范模型范圍應符合下述要求：

（1）縱向范圍一般應至少覆蓋船中貨艙區(qū)的1/2個貨艙+1個貨艙+1/2個貨艙長度。

（2）考慮橫向波浪載荷的不對稱性，應采用全寬模型。

（3）垂向范圍應取主船體范圍內的所有構件，包括主甲板上的所有主要構件。

5　結語

船體結構的疲勞情況分析是一個較為繁雜的工作，就目前所知道的分析方法主要有兩種，一種是譜分析法，另一種就是有限元法。兩種方法的應用，不僅為船舶結構的設計帶來了全新的改革，還為船舶運輸?shù)姆€(wěn)定性以及安全性作出了巨大的貢獻。對于通過用有限元法來分析船舶的疲勞強度，其主要應用的軟件就是M S C . FATIGUE，該軟件能夠同時實現(xiàn)MSC.PATRAN以及NASTRAN的高度整合，可以更加完美的解決結構中強度、剛度、動力學、熱力學等方面的問題，從而保障了設計單位能夠更好的進行船舶產品的設計工作，不僅能夠節(jié)省大量的設計時間以及設計所需要的資金成本，還能夠大大的減少船舶等設計工作的開發(fā)周期。

參考文獻：

［1］劉振華，陳章蘭，高博.焊接殘余應力對船體結構疲勞強度的影響分析［J］.焊接，2015，09:25—29＋74.

［2］陳子豪.基于共同規(guī)范的散貨船及其結構節(jié)點的疲勞強度研究［D］.華南理工大學，2012.

［3］方小虎.船體艙段結構疲勞評估方法研究［D］.武漢理工大學，2011.

［4］侯曉曦，程國祥.基于有限元方法的抓斗式挖泥船船體結構強度分析［J］.科技創(chuàng)新導報，2011，16:89—90.

［5］中國船級社.船體結構疲勞強度指南［D］.2015.