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1、船体总纵弯曲时的疲劳强度分析引言船舶长期在海上航行,船体结构将承受波浪载荷的作用。在中低海情下,这种波浪载荷主要以波浪遭遇频率的低频形式在结构中产生随机应力循环;在中高海情下,船体将产生大幅运动,由于船体的非直壁,船底、外飘砰击及甲板上浪等现象的发生,结构中的应力响应将产生严重的非线性:不仅在量值上具有拉压应力不对称,与波高的非线性关系,而且除波浪遭遇频率成分外,还有与船体梁总振动频率相一致的高频颤振应力成分存在。在上述应力循环的长期作用下,在舰船使用寿命期内结构可能产生疲劳损伤裂纹,这种损伤不仅会大量
2、增加船体维护成本,严重的甚至威胁船员及船舶在海上的安全。1.在短期波浪载荷所产生的应力范围和平均应力联合作用下船体结构的疲劳损伤分析。通过对作用在船体剖面上的短期波浪载荷时间历程进行雨流计数得到应力范围与平均应力的统计样本值，采用概率与数理统计方法由该样本可获得应力范围和平均应力的二维联合概率，然后对线性波浪载荷与非线性波浪载荷所产生的应力范围与平均应力的概率特性分别进行了讨论，给出了计算船体结构疲劳损伤的平均应力影响因子及其简化计算方法。2.在损伤相等的条件下，对作用在船体结构上的波浪载荷进行了长期分
3、析。研究了非线性波浪载荷幅值与高频特性对船体结构疲劳损伤计算的影响；分析了不同海况、不同航向带所预报的波浪载荷对船体结构疲劳损伤的贡献；并分析比较了采用非线性波浪载荷与线性波浪载荷来计算船体结构疲劳损伤所存在的差异。3.按可靠性分析方法对船体结构疲劳损伤和疲劳寿命进行了分析。考虑到应力计算模型、结构的疲劳强度模型以及线性累积损伤模型等诸多因素的不确定性，比较分析了普遍应用于船舶结构疲劳可靠性研究中的两种疲劳寿命概率分布格式所得到的结果；给出了这两种分布格式在疲劳可靠性分析中的统一表达式，建立了船体总弯曲
4、结构疲劳可靠性分析的实用计算方法。4.在上述研究工作的基础之上，采用确定性方法和可靠性方法分别对某快速舰船在总纵弯曲时的疲劳强度进行了分析。一、船体总纵强度的可靠性分析（一）传统的船体总纵强度可靠性分析12船体总纵弯曲时的疲劳强度分析任何工程结构一定要保证安全可靠。为进行有效的设计,须全面了解导致结构破坏的原因和形式,以及抵抗破坏的各个因素。传统的方法及现在许多正在使用的工程结构设计规范对结构安全的保证是：在期望的使用期内,使最坏使用条件下的最大载荷D小于结构承载极值C,即DF≤CD、C为同量纲的量,F
5、为安全系数,它是根据经验积累而定的,是考虑了人们没有估计到或无法估计的影响而留有的一定储备。目前各国普遍使用的船舶建造规范也是以此为基础的。（二）传统的船体总纵强度可靠性分析方法的缺陷1、与载荷和结构抵抗破坏能力有关的基本变量并不是确定量,它们具有不确定性,是随机量,这样就找不到确定的最大载荷和极限抵抗能力。传统方法只是近似地用某个值来代表它们,这与实际情况是有距离的。2、安全系数尸并没有任何物理意义,它究竟具有多大的安全程度是不明确的,有多少安全储备也是未知的。通过安全系数F,只能对结构安全性有一相对
6、的、定性的而且是相当模糊的了解,而且经验性的东西较多,科学性的成分较少,它很容易给人们以错觉,使人们认为：只要有足够大的安全系数,结构总是安全的。3、传统方法认为在最坏使用条件下设计的结构总是安全的,因此结构是在某极限情况下工作。但在实际使用中结构不一定经常处在严重情况,而且实际真正的应力水平、位移等结构性能是不清楚的,也很少有反馈,因此结构强度的保证是否恰当是不知道的。这在经济上和结构有效性控制上有不足之处。4、传统方法不能同时反映不同载荷的联合作用及它们之间的相互关系,12船体总纵弯曲时的疲劳强度分
7、析也不能同时考虑不同破坏模式（甚至是非结构破坏）之间的关系及地位。（三）载荷效应船舶总纵强度的主要破坏模式之一是船体梁的纵弯曲屈服破坏,一般表现为上甲板或船底延性破坏。本文对有关的载荷考虑了随机载荷静水弯矩和波浪弯矩，对于静水弯矩,一般认为它服从正态分布。而波浪诱导弯矩比静水弯矩具有更大的变异性,它的随机性主要来自风浪。长期分布一般认为是短期分布〔Rayleigh分布〕的加权迭加,加权数为海况等因素出现的概率。在此只对各海况因素进行加权迭加,每一短期分布就为海况的条件分布,海况由参数E代表。那么,长期分
8、布函数由下式表示：式中g(E)—E的概率密度函数;F1(z)—短期分布函数,将上式离散化,即可得到组合分布：12船体总纵弯曲时的疲劳强度分析可得式中,求和艺上限为海况数N,下限为1,a、b、c、d、e为系数,由重现期n控制，见表1。表一abcden=110000n=221000n=333100n=446410n=5510105112船体总纵弯曲时的疲劳强度分析(四)船体梁抗弯能力将船体梁中部抗弯能力用S表示：为求S的数字特征,可将S线性化，
