散货船热点应力疲劳强度计算

null散货船热点应力疲劳强度计算(Fatigue strength)散货船热点应力疲劳强度计算(Fatigue strength)（以80000DWT散货船为例说明计算方法与过程） 杨永谦 2010年7月null船体结构疲劳强度指南<2007>1.1.1 船舶在海上航行时，船体结构一直受到波浪力及船舶运动产生惯性力的作用。 而波浪力和惯性力都是不断变化的动载荷，他们在船体结构内部引起交变应力，造成结构的疲劳损伤。 1.1.2 疲劳破坏是船舶结构的主要破坏形式之一。特别对于大型船舶和使用高强度钢的船舶，疲劳问题显得尤为突出。 1.1.3 可通过疲劳强度校核改进结构节点的设计，以保证船体结构中受交变载荷作用的构件有足够的疲劳寿命。 1.1.4 对满足本指南评估要求的入级船舶，可授予COMPASS（F）附加标志。null1.2.1 下列船舶可按本指南的要求对其货舱区域结构进行疲劳强度校核： （1）船长150m 及以上的散货船（包括矿砂船）； （2）船长150m 及以上的集装箱船； （3）船长190m 及以上的油船； 1.2.2 具有CSR 附加标志的油船的疲劳强度评估按《钢质海船入级》第9 篇的相关规定进行； 1.2.3 具有CSR 附加标志的散货船的疲劳强度评估按《钢质海船入级规范》第10 篇的相关规定进行。 1.2.4 对于1.2.1 规定范围以外的船舶也可参照本指南，对其结构进行疲劳强度校核。null（8）应力范围S（ ）：引起结构疲劳的交变应力的应力范围，按下式计算： S= 式中： ——应力循环的最大值， ； ——应力循环的最小值， 。 （9）设计应力——疲劳评估时的计算应力。可以是名义应力，也可以是热点应力。 1.4 疲劳分析方法 1.4.1 船体结构的疲劳分析可采用简化计算法和直接计算法。null1.4.2 简化计算法和直接计算法主要包括下述内容： （1）疲劳载荷计算； （2）各应力范围分量的计算； （3）应力集中系数的确定 ； （4）应力范围的合成； （5）累积损伤度的计算及衡准。 1.4.3 疲劳载荷所对应的超越概率水平取 ，相应的船舶设 计寿命为20 年。 1.4.4 船舶设计寿命期间内的应力范围循环总次数为 1.4.5 应力范围的长期分布采用二参数Weibull 概率分布形式。null 1.4.6 S-N 曲线采用英国能源部经修正的非管节点的8 根基本S-N 曲线。这些曲线适用于最小屈服强度小于400 的钢材。 1.4.7累积损伤的计算是根据Palmgren-Miner 线性累积损伤理论。累积损 伤度D 按下式计算： 式中： ——结构在其设计寿命期间内的应力循环总次数； S——应力范围； f（S）——应力范围长期分布的概率密度函数； N（S）——与应力范围S 相对应的结构疲劳失效时的应力循环次数。null1.4.8 在疲劳分析时，应计及满载和压载两种工况。 1.4.9 在计算设计应力范围时应考虑腐蚀的影响，即在计算时应将建造结构尺寸扣除相应的腐蚀余量。由于疲劳是贯穿船舶一生的一个累积过程，因此疲劳分析时所用的腐蚀余量可取船舶设计寿命期间内腐蚀余量的一半。2.1 疲劳校核部位 2.1.1 对船舶货舱区域的下述部位应进行疲劳强度校核： （1）纵骨（船底、舷侧、甲板及内壳）与横向强框架的连接部位； （2）纵骨（船底、舷侧、甲板及内壳）与横舱壁的连接部位； （3）对于散货船和矿砂船，应选择一个应力水平较高的货舱舱口角隅、内底板与底凳斜板的连接处、横舱壁与底凳顶板连接处、横舱壁与顶凳斜板连接处 （4）对于具有大开口的船舶（如集装箱船），在大开口两端处和船中区域，应分别选择一个货舱舱口角隅； （5）底边舱与内底板连接处和底边舱与舷侧连接处的折角部位。null2.4 许用应力范围 2.4.1 船体结构疲劳强度可用许用应力范围进行校核，校核时用满载工况的设计应力范围。如不满足2.4.4 的要求，还应按2.5 的规定计算结构的疲劳累积损伤度，作进一步的校核。 2.4.2 Weibull 分布的形状参数ξ应按2.3.1 的规定计算。 2.4.3 校核时所采用的S − N曲线应按2.2 的规定，按校核节点的分类选择。 2.2.4 疲劳评估采用热点应力方法时，对于船体结构中的焊接节点应选用E 曲线，对于船体结构中的非焊接节点应选用C 曲线。 2.4.4 船体结构的疲劳强度应满足下式要求： SL ≤ [SL ] 式中：SL──满载工况下的设计应力范围，N/ mm2 ，按第4 章的规定计算； [ SL] ──许用应力范围，N/ mm2 ；根据所选择的S − N曲线和ξ由2.4.1 查得。null关于船体结构疲劳强度指南<2007>的讨论 1.很多用户反映，一般散货船很难满足指南要求 原因可能是：疲劳载荷所对应的超越概率水平为但指南上的外力超越概率水平为，共同规范上外力在疲劳计算时乘上0.5系数，显然指南外力大了一倍，使设计应力增大，从而热点应力也变大，疲劳累积损伤度也变大2.疲劳累积损伤度公式有误，多了一个3.指南中未对非焊接区域和自由边的热点应力给出定义，共同规范中则有明确定义：null4.如果不能满足疲劳要求，共同规范允许在焊缝打磨后抗疲劳能力可提高1.6倍。null5.指南中没有说明如何确定那个焊缝是可能的疲劳扩展的焊缝，以 便在此焊缝方向上选择插值的应力点。共同规范上指明了这个问题：热点处与假定疲劳裂纹夹角大于45度的主应力视为热点应力。即主应力方向与焊缝接近垂直（夹角大于45度）可使该焊缝产生疲劳裂纹。null80000 DWT散货船 热点应力疲劳强度直接计算示例null1.概述按照CCS《船体结构疲劳强度指南》（2007）的要求对80000DWT散货船的几个关键部位的疲劳强度进行热点应力计算评估。 针对本船No5货舱所建立的 ½+1+½ 三维舱段模型对以下疲劳敏感部位的网格进行局部细化,采用嵌入式的网格模型对这些应力水平较高部位进行热点应力直接计算。 (1）舱口角隅 （2）底边舱斜板与内底板、横舱壁连接处 （3）底边舱斜板与内壳板、横舱处连接处 null按《指南》规定的工况、疲劳载荷、边界条件、计算并合成应力范围，根据许用应力范围以及疲劳累积损伤度对热点处的疲劳强度进行评估。2.有限元模型在 1/2(No4)+1(No5)+1/2(No6) 的粗网格(屈服强度计算模型）基础上，对上述三个关键部位的网格进行局部细化计算，采用嵌入在粗网格模型中的细化有限元模型进行热点应力直接计算。 细化区域包括 1）舱口角隅 2）底边舱斜板与内底板、横舱壁连接处 3）底边舱斜板与内壳板、横舱处连接处 它们都是粗网格模型，计算表明它们都是应力水平较高的部位。null因为施加的载荷为前后对称的，故上述高应力区只选择No5舱后端的相应部位进行细化。2.1 细化网格及单元 《指南》要求细网格尺寸不大于受力构件板厚t。 计算点附近构件网格采用4边形细网格，边比1:1. 细网格大小取粗网格单元尺寸(大约825×733mm)的1/64, 约13.0×11.5 mm,满足不大于构件板厚t的要求. 精细网格从热点位置向外所有方向延伸至少32个单元,满足精细网格范围在所有方向延伸不小于10倍受力构件板厚的要求. 细网格区域内的骨材(在粗网格模型中用梁单元模拟)改用板壳单元模拟. 细网格区域的开孔和倒弧按实际情况考虑.null细化网格有限元模型及细化区域图null 细化网格、舱口椭圆弧板null细化网格、舱口角隅null细化网格、底边舱斜板与内底板、横舱壁连接处折角（下折角）null细化网格、底边舱斜板与内壳板、横舱壁连接处折角（上折角）null网格细化方法：nullnull舱口角隅椭圆板及其细网格创建方法:规范规定的舱口角隅椭圆板尺寸（即规范中的图2.4.4.1）本船舱口角隅椭圆板尺寸nullnull（1）先在原网格上细化单元 Elements Modify/Quad/Split 选 分网细化原来的网格,1次,2次 （2）创建 Point Geometry Create/Point/XYZ用鼠标拾取 1,2,3 Point 被创建 Transform/Point/Translate <0,103.125,0> Repeat 10 <201.666,0,0> Repeat 10null（3）对应点连线 （4） Create/Point/Interset Option : Curve Option : Curve Curve List: 1 Curve List: 2 得到交点Xnull（5）连接各交点(用Spline 曲线) Create/Curve/Spline Option : Loft Spline Strat Point Target Vector <0,1,0> End Point Target Vector <1,0,0> 选所有交点(Point) Aplly 得到舱口椭圆板的边线 （6）删除多余的线和Pointnullnull（7）继续用 Elements Modify/Quad/Split 选 Split in N×M Quad Element 选多个单元 Element Edge List 选一个边 N: 4 M: 4 一次可以细化多个单元, 细化角隅的网格直到网格大小为原来的1/64（8）拷贝(细网格)单元完成椭圆板的分网 Transform/Element/Translate <11.45808,0,0> Repeat :128 可以试之,以达到椭圆线为准.nullnull（9）修补椭圆线单元 方法一 用Plane切割线得到Point ,再在Point上创建节点,然后用节点(线上的)和附近的节点创建单元 Geometry Creat/Plane/Point_Vector Point List Vector <0,1,0> Aplly Transform/Plane/Translate <0,103.125/8,0> 用Plane打断线 Edit/Curve/Break Plane 选线 选Plane 创建节点 Elements Create/Node/Edit 选Point 1 创建单元 Create/Element/Edit Shape :Tri 选3个节点 依次做！null方法二：将附近的节点拷贝到线上，再用节点创建单元 Elements Transform/node/Translate <2,0,0 > 如果不在线上，再调整之 Node List 选节点 拷贝到线上 连接节点形成单元。 null舱口围板椭圆板分网的另外方法： 先将椭圆板线形成面 null 用撒种子的方法更方便，关键是种子间距要与甲板的细网格间距一致。量取细网格节点间距：11.458984，12.890635然后用撒种子的方法创建网格：nullnullnull腐蚀余量和单元特性 《指南》规定的腐蚀余量见下表。模型中板单元的属性表2.2nullnullnull角隅处的甲板局部加厚。加厚的范围如图示意。而椭圆板板厚与加厚板厚度相同。舱口角隅处甲板局部加厚部位示意null3载荷与边界条件 3.1计算工况 《指南》规定，疲劳强度应力直接计算时，应包含下列两种计算工况： 满载计算工况（满载轻货）； 压载计算工况（正常压载）。 两种载况下的热点应力范围直接计算分别按表3.1进行： 表3.1 两种载况下计算热点应力范围分量的工况 null3.2边界条件 模型的边界条件分别按表3.2和表3.3的要求简支。 表3.2 两端的刚性连接 表3.3 独立点的支撑条件 nullnull3.3载荷 主要参数 null2.波浪弯矩及其范围null海水动压力分布nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull2**(1/(1.45-0.533966*(1-8.04748e-6*'Z)))*(1.e-3*(106.36264+(83.81820-106.36264)*(1-'Z/9941)+ (40.29841-83.81820)*(1-2*'Y/43000))-1.e-5*('Z-9941))=nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull干货作用舷侧及仅一侧舱内有货物的舱壁上的货物压力范围Δ p 应按下式计货物压力范围Δp = p 干货作用内底及两侧舱内均有货物的舱壁上的货物压力范围Δ p 应按下式计算： Δp = 2 p 式中： p──干货压力， nullnullnullnullnull加载求解工况 1 L1 应力范围（满载或压载总体垂向波浪弯矩范围）满载 full_L1 压载 ballast_L1 满载 full_L1A < ,0.,0.> 施加到 node 13894 B <0.,0.,0.> <0., , > 施加到 node 13895 sys < ,0., > <0., ,0.> 施加中纵剖面各节点nullnullnullnullnullnullnullVewing/Angles…. Load/B.C…nullnullnullnull满载：nullnullnullnullnull压载：nullnullnullnullnullnull求解 Analysis null后处理 Results节点应力null4.主要热点应力结果及疲劳强度评估 4.1许用应力范围 按照《指南》2.4.1，船体结构的疲劳强度可用许用应力范围进行校核:。 取满载工况下的计算值许用应力范围根据weibull分布形状系数 以及由节点形式选定的S-N曲线查表确定。 三个部位的许用应力范围（满载工况），nullnull问题：用F2曲线还是E曲线？用E曲线[SL]=335.97. 用F2曲线是偏于安全的null满载工况下设计应力范围如果不满足上述许用应力范围 则需要用结构的累积疲劳损伤度作进一步校核。要求，≤1.0式中： —时间分配系数； ，满载工况 ＝0.6； 压载工况 ＝0.4； K — S_N曲线参数。C曲线K＝3.464×1012；F2曲线K＝330×1011； —对应计算工况的设计应力范围N/mm2； —对应工况下的形状参数； null—板厚修正系数，应按下式计算： ＝1.0 当t22 时；当t22 时；= t —计算点处的板厚，mm；—不完全GAMMA函数值； — GAMMA函数值； —S-N曲线二线段的交点处的应力幅值。C曲线 ＝70.2305； F2曲线 ＝35.1153。 null4.2 应力范围计算结果和疲劳强度评估 以下给出对No5舱后端舱壁三个热点区域各种构件热点应力（范围）的计算结果。 4.2.1舱口角隅椭圆板选用C曲线（S-N），许用应力范围。 满载L1工况下，计算得到的椭圆板各节点最大主应力（范围）的方向如图4.1-1所示。由图中可知，在椭圆板自由边上，最大主应力方向与裂纹扩展方向完全垂直。 满载的4种工况，椭圆板上最大主应力分布云图分别见图4.1-2～图4.1-5。 在满载L1工况椭圆板自由边的高应力区域选取几个节点的最大主应力（范围）进行合成，并以其中合成应力范围最大者（第88955号节点）进行疲劳强度的校核。虽然不是严格按照《指南》规定插值计算热点应力，但结果应该相差不会太大. ＝504.03 N/mm2null查看节点主应力方向： null图4.1-1 满载L1工况、舱口角隅椭圆板最大主应力方向 null图4.1-2 满载L1工况、舱口角隅椭圆板Z1表面最大主应力结果云图（MPa） null图4.1-3 满载L2工况、舱口角隅椭圆板Z1表面最大主应力结果云图（MPa） null图4.1-4 满载L3工况、舱口角隅椭圆板Z1表面最大主应力结果云图（MPa） null图4.1-5 满载L4工况、舱口角隅椭圆板Z1表面最大主应力结果云图（MPa） null如何提取节点88955的上下表面最大主应力nullnullnullnullnullnullnull表4.1-2 压载工况、舱口角隅椭圆板自由边上热点应力范围计算（MPa） 累积疲劳损伤度校核：压载工况，Z1,Z2表面，88955号节点处的热点应力范围计算见下表nullnullnullnullnull双向插值nullnullnullnullnull累积疲劳损伤度的计算汇总于下表null表4.1-3 累积疲劳损伤度的计算 null 4.2.2舱口角焊缝 选用F2曲线（S-N），许用应力范围 满载L1工况下，计算得到本船舱口角的几条焊缝各节点最大主应力（范围） 的方向如图4.2-1所示。由图中可知，热点（1623号节点）在最大主应力方向 基本与主甲板上沿船宽方向的焊缝（可能的裂纹扩展方向）垂直。 虽然最大主应力发生在主甲板与顶边舱垂向列板的焊缝13961号节点上，但其方向基本顺着焊缝的方向，且数值也不是很大，不至于引起疲劳裂纹。所以疲劳计算与校核针仅对主甲板与顶边舱web的焊缝进行。 满载的4种工况，舱口角附近单元Z1表面最大主应力分布云图分别见图4.2-2～图4.2-5。＝252.02 N/mm2。按照《指南》规定的方法计算得到的累积疲劳损伤度也能够满足要求:null图4.2-1 满载L1工况、舱口角附近Z1表面节点最大主应力方向 null图4.2-2 满载L1工况、舱口角附近单元Z1表面最大主应力结果云图（MPa） nullnullnullnull取主甲板与顶边舱web的焊缝上与“热点”临近的4个节点最大主应力范围的结果，按照《指南》5.4.6计算热点应力，并进行疲劳强度的校核。 null提取节点13992，14025，14058，14091的上下表面最大主应力nullnull查找4个节点距焊缝趾点节点的距离按消隐按钮，选要显示节点的相关单元Elements Show/node/disdance 显示节点的距离nullnullnullnullnullnullnullnull以上计算汇总于下表：null表4.2-1 满载工况、舱口角主甲板横向焊缝热点应力范围计算（MPa） null表4.2-2 压载工况、舱口角主甲板横向焊缝热点应力范围计算（MPa） 同样做法进行压载工 况焊缝热点应力范围计算况，它不做应力校核，为计算累积疲劳损伤度用。null表4.2-3 舱口角主甲板横向焊缝热点应力、累积疲劳损伤度的计算 null累积疲劳损伤度的计算见表4.2-3。其上表面（Z1）的累积疲劳损伤度略微超过了《指南》规定的许用值（1.0），仅仅超过了1％。 问题： 按规定 所以本船舱口角隅处焊缝的疲劳热点应力满足疲劳强度的要求。，但怎么办？可不进行 D计算！null4.2.3 底边舱斜板与内底板、横舱壁交接处折角选用F2曲线（S-N），许用应力范围＝247.62 N/mm2。满载L1工况下，计算得到本船底边舱斜板与内底板、横舱壁交接处的折角（下折角）的几条焊缝各节点最大主应力（范围）的方向如 图4.3-1所示。由图中可知，热点（1224号节点）处最大主应力方向基本沿着横舱壁与底边舱斜板的焊缝，与横舱壁上垂向T型材的焊缝（可能的裂纹扩展方向）的夹角大于45o，最大主应力在横舱壁上垂向T型材的焊缝12258号节点上。 满载的4种工况，下折角附近Z1表面最大主应力分布云图分别见图4.3-2～图4.3-5。 null图4.3-1 满载L1工况、下折角附近节点最大主应力方向 null选此项方法二：在节点应力云图直接查看节点应力nullnullnullnullnullnullnullnull表4.3-1 满载工况、下折角处横舱壁T型材焊缝热点应力范围计算（MPa） null表4.3-2 压载工况、下折角处横舱壁T型材焊缝热点应力范围计算（MPa） null表4.3-3 下折角处横舱壁T型材焊缝热点应力、累积疲劳损伤度的计算 null4.2.4底边舱斜板与内壳板、横舱壁交接处的折角选用F2曲线（S-N），许用应力范围 ＝239.26 N/mm2。该折角距离中和轴较近，所以在满载L3工况（施加海水动压力范围的载荷）下，热点（872号节点）处的最大主应力范围值较大。这个计算工况下，计算得到本船底边舱与内壳板、横舱壁交接的折角（以下简称“上折角”）处几条焊缝各节点最大主应力（范围）的方向如图4.4-1所示。由图中可知，热点处最大主应力方向基本垂直于横舱壁与内壳板之间的连接焊缝（可能的裂纹扩展方向），最大主应力发生在该焊缝的29960号节点上。满载的4种工况，上折角附近Z1表面最大主应力分布云图分别见图4.4-2～图4.4-5。 null图4.4-1 满载L3工况、上折角附近节点最大主应力方向 nullnullnullnullnullnull表4.4-1 满载工况、上折角处横舱壁与内壳板之间的连接焊缝热点应力范围计算（MPa）null表4.4-2 压载工况、上折角处横舱壁与内壳板之间的连接焊缝热点应力范围计算（MPa） null表4.4-3 上折角处横舱壁与内壳板之间的连接焊缝热点应力、累积疲劳损伤度的计算 null5.结论在针对80 000 DWT散货船No5货舱所建立的三维舱段粗网格模型（用于屈服强度和屈曲强度的直接计算）的基础之上，对舱口角隅、底边舱斜板与内底板、横舱壁连接处（下折角）和底边舱斜板与内壳板、横舱壁连接处（上折角）等几个疲劳强度较为敏感部位的有限元网格进行局部细化，采用嵌入式细网格模型对这些应力水平较高的部位进行热点应力（范围）的直接计算：计算中，按照《指南》的规定确定计算工况、计算疲劳载荷、施加边界条件、计算并合成应力范围，根据许用应力范围以及疲劳累积损伤度对热点处的疲劳强度进行评估。 由有限元直接计算得到的应力范围分量结果，按照《指南》规定的方法合成满载及压载工况下的疲劳热点应力范围并计算其累积损伤度，对比《指南》中规定的许用值，结果表明：本船舱口角隅椭圆板自由边、舱口角隅焊缝、上折角焊缝和下折角焊缝的热点应力疲劳强度均满足《指南》规定的疲劳强度要求。 各热点部位计算得到的合成应力范围（SL）以及累积损伤度（D）的结果，以及《指南》中的许用值汇总于表5.1。 null表5.1 各热点部位疲劳强度计算结果汇总