基于断裂力学的散货船外底纵骨疲劳寿命评估

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1、基于断裂力学的散货船外底纵骨疲劳寿命评估作者：陈家旺摘要：随着船舶的日趋大型化以及高强度钢在船体结构中被广泛采用，船体结构的疲劳强度评估显得越来越重要。目前，船舶结构的疲劳校核依然是基于S-N曲线的方法，它假设材料是无缺陷的连续体，而实际材料中总是存在着裂纹或类裂纹的缺陷，因此将疲劳裂纹扩展理论应用于疲劳寿命预测成为研究疲劳问题的发展方向。本文采用基于断裂力学的疲劳裂纹扩展理论，根据《散货船共同结构规范》确定疲劳载荷及计算工况，在MSC.Nastran计算结果的基础上，运用MSC.Fatigue软件中Growth模块，对一散货船外底纵骨与横舱壁和横框架连接节点处进行分析，并

2、对结果是否满足规范做初步判断。关键词：断裂力学；散货船；纵骨；疲劳寿命1引言随着船舶的日趋大型化以及高强度钢在船体结构中被广泛采用，疲劳破坏成为船舶结构的主要失效形式之一。第七届国际船舶结构力学会议中指出[1]，对于船长超过200米的大型船舶，总损伤数的70%属于疲劳损伤，疲劳损伤成为引起船舶结构破坏的主要原因。日本船级社[2]对在上世纪八十年代中期采用大量高强度钢建造并入该船级社船级的第二代VLCC进行的资料收集表明，76条船舶中的65条有不同情况的破损出现，其中舷侧纵骨与强框架或横舱壁交界处的疲劳损伤情况最为严重。吴晓源[3]对某20年船龄双壳双底散货船船舯压—————

3、——————————————————————————————————————————载舱的双层底区域疲劳损伤情况进行了统计，结果表明发生疲劳损伤的部位基本位于舷侧纵骨及外底纵骨与横框架的连接节点处，疲劳裂纹沿着纵骨的面板或腹板扩展。目前，船舶结构的疲劳校核依然是基于S-N曲线的方法，它假设材料是无缺陷的连续体，实际上材料中总是存在裂纹或类裂纹的缺陷，因此基于S-N曲线法的船体结构疲劳计算在理论上还存在缺陷，尚不能很好地预报各节点疲劳破坏。随着断裂力学及相关数学力学理论及计算机技术的发展，使得以疲劳裂纹扩展为基础的疲劳寿命预测方法成为疲劳问题的研究热点[4]。国内外相继开展了

4、一些运用断裂力学法评估疲劳寿命的研究，尤其对潜艇结构的疲劳寿命研究颇多[5-7]。在水面舰船方面，文献[8]采用数值模拟程序研究了船体纵骨焊趾处疲劳裂纹扩展，程序可以根据载荷条件及结构节点改变扩展行为，模拟结果与实验结果符合的很好；文献[9]利用实验研究带有初始表面裂纹船用钢板在横幅和变幅载荷作用下的裂纹扩展寿命，并提出一个可以很好的预测疲劳寿命的公式；文献[10]运用断裂力学方法研究了船体结构疲劳，但是它没有考虑船体的真实载荷只在舱段两端加弯矩。采用断裂力学法进行船体结构疲劳寿命系统研究的文献，目前笔者尚未看到。本文采用基于断裂力学的疲劳裂纹扩展理论，根据《散货船共同结构

5、规范》[11]（以下简称《共同规范》）确定疲劳载荷及计算工况，在MSC.Nastran计算结果的基础上，运用MSC.Fatigue软件中Growth模块，对一散货船外底纵骨与横舱壁和横框架连接节点处进行系统的———————————————————————————————————————————————疲劳寿命分析，并对结果是否满足规范做初步判断。2疲劳寿命评估方法2.1疲劳裂纹扩展速率材料科学揭示，由于构件在制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂纹总是存在的，特别是在焊缝的地方。疲劳作为一种破坏模式，它实际上是这些微裂纹的扩展和聚合，形成宏观裂纹。宏观裂纹的进一步扩展导

6、致最后的破坏。疲劳破坏过程一般来说可分成三个阶段：裂纹的形成、裂纹的稳定扩展及断裂三个阶段。断裂力学是研究具有初始缺陷的材料和结构强度的有力工具，它结合现代无损探伤技术，能够克服传统研究方法中所表现出的弊端。断裂力学认为，裂纹的扩展速度dadN是应力强度因子幅值?K的关系是一条S曲线，如图1所示，图1中曲线可以分为3个区域[12]。图1da/dN与△K的关系曲线Ⅰ区—不扩展区。这时结构材料中△K≤△Kth。△Kth为疲劳裂纹扩展的门槛值，即当结构缺陷部位的应力强度因子幅值低于该值时，疲劳裂纹不会扩展，此时的裂纹为安全裂纹。Ⅱ区—裂纹扩展区。处于该区中的裂纹扩展速率满足著名的

7、Pairs公式，式中：a为裂纹扩展的特征长度；N为疲劳载荷循环次数；△K为应力强度因子幅值，?△K=Kmax-Kmin；C、m为Pairs参数，主要与材料性质有关。本文中对于纵骨的———————————————————————————————————————————————疲劳寿命研究针对此区域进行。Ⅲ区—快速扩展区。该区中裂纹扩展速率极快，常常不计算其寿命值。2.2疲劳裂纹扩展寿命预测根据疲劳裂纹扩展速率表达式，用积分方法算出疲劳裂纹扩展寿命Nc，为带有初始裂纹或缺陷的船舶与海洋结构物的检修周期提供更经济、可靠的