论文部分内容阅读
摘 要：在对造成船舶结构疲劳的原因以及影响疲劳寿命的因素进行分析的基础上，分别探讨了船舶结构疲劳强度分析过程中存在的应力集中系数的计算、S-N曲线的选择以及裂纹疲劳扩展模型的确定的问题，为船舶结构疲劳强度分析提供参考。
关键词：船舶；结构强度；裂纹扩展
1、造成船舶结构疲劳的原因及影响因素
1.1 造成船舶结构疲劳的原因
导致船体结构出现疲劳破坏的主要原因就是结构中存在的微裂纹，同时在结构使用过程中出现裂纹扩展。在作业过程中，船体的构件将在作业载荷的影响下而受到交变应力，这时船体的结构件将会因为客观存在的缺陷（焊接裂纹、夹层等）而出现疲劳破坏。一旦交变载荷产生的应力超出某一个具体的限度，构件应力最大区域将会产生裂纹。这时，在不断的循环作用下，裂纹将逐步扩展，一旦达到对应的尺寸，将出现断裂破坏。
1.2影响船体结构疲劳寿命的因素
对结构疲劳载荷特性分析的基础理论是S-N曲线，其中用σ表示构件工作过程中所承受的名义应力造成的应力，N则表示对每个构件产生断裂结果的应力循环次数。从S-N曲线图中可知，断裂循环次数将随着材料的应力下降而增加。从试验结果以及理论分析可知，当构件的截面部分出现突变时，这部分的局部应力将迅速增加，并以此为中心逐步向周围区域缓和，即在该处出现应力集中问题。
利用S-N曲线可以计算得到结构疲劳寿命的近似计算公式（1）：
其中，N表示结构的疲劳寿命；σ表示名义载荷下的应力；K表示应力集中因素；C为常量，例如环境与应力状况等。其中，应力集中因素K与结构几何形状、焊接结构、不对称形式等相关。
因此，在结构设计过程中，一个合理的结构形式、良好的焊接方式以及对称的强化形式对船体的整体结构疲劳寿命产生直接影响。
2、应力集中系数的计算问题
在对船体结构进行结构疲劳载荷分析时，需要利用S-N曲线对疲劳累积损伤进计算，其遵循的一个重要原则就是要确保结构的评估处应力的定义必须与所获得的S-N曲线相一致。因此，在进行结构的疲劳强度分析前，必须对应力类型进行分类。
在结构疲劳分析过程中，可以将结构所承受的应力分为三种：名义应力、集合应力以及切应力。其中，结构的名义应力就是受力结构对应截面上计算得到的平均应力，其可以通过粗略网格的有限元模型计算得到，但是不包括焊接接头等细节构造而造成的应力集中；结构几何应力（热点）则是除焊缝自身应力集中之外，因为焊接结构细部构造而产生的应力集中，通常在焊接结构的焊趾处，可以通过细化的有限元网格模型计算得到；切应力则是焊接结构焊趾处产生的总应力，一般包括焊缝自身应力以及集合应力，在计算过程中可以通过乘以对应的应力集中系数计算得到，或者通过加密的有限元网格计算得到。
设计规范中明确指出S-N曲线是通过光滑试件的疲劳实验计算得到的，在计算过程中并没有考虑到应力集中的问题，即在计算过程中应力集中系数k=1.0。所以，从应力的分类情况来讲，在S-N曲线中计算的曲线应力应该是切口应力。而在实际的结构疲劳强度分析过程中，通常在获得的名义应力基础上乘以一个应力集中系数，从而利用几何应力、焊缝导致的应力集中得到切口应力。
3、S-N曲线的选择
根据CCS规范中的相关要求，S-N曲线应该采用经过修正的英国能源部制定的非管节点的8根基本S-N曲线。这些曲线可以用于对最小屈服强度低于400N/mm2的钢结构材料，其具体的参数如表1所示：
在对船体结构节点的疲劳强度进行计算时，可以根据CCS中的相关规范规定的一般性原则，例如该规范的2.2节所确定的5f1：1节点形式、承载方向以及构造工艺等进行S-N曲线的选取。在计算集合应力集中系数时，由于船体结构中的焊接节点一般选择了E曲线，所以对应的船体结构中的其他非焊接节点疲劳强度分析时要选择C曲线。在实际的计算过程中，考虑到所计算节点位置以及具体的形状，在船体的 、湿甲板和舷台处的焊接结构分析时，通常选择E曲线进行分析。
4、裂纹疲劳扩展模型的确定
船舶结构疲劳强度分析工作中，裂纹的扩展分析是重点，而裂纹扩展的分析需要借助裂纹扩展模型。在裂纹扩展分析中，可以将之分为失稳扩展以及亚临界扩展两类。其中，失稳扩展就是裂纹一旦扩展之后将导致结构出现破坏；亚临界扩展则是导致裂纹扩展原因消除之后，裂纹扩展趋势将迅速下降。而当结构承受的循环应力处于临界应力之下，且足够大时，结构裂纹将逐步扩展，一旦达到临界裂纹尺寸，这时结构将出现破坏。
在结构疲劳强度分析过程中，应用断裂力学的方法对结构的疲劳开裂问题进行分析，在循环载荷作用下裂纹的前沿产生的应力强度因子k与材料断裂韧性值相比较小，裂纹将保持原始状态，不会出现失稳扩展的问题，这时结构将不会被破坏。但是，当裂纹进入到亚临界扩展状态时，随着循环载荷次数的增加，裂纹长度将持续扩展，当达到一定的程度之后，应力强度因子k将超出断裂韧性值。这时，结构裂纹将进入失稳扩展状态，结构产生破坏。
另外，当载荷循环次数增加、裂纹长度增加时，裂纹应力强度因子将不能达到材料的断裂韧性值，虽然这时裂纹没有进入失稳扩展的状态，但是其长度已经达到了临界长度，同样会造成结构的破坏。对于船舶结构而言，常见的疲劳强度破坏就是这话总裂纹扩展的结果。
在计算过程中，可以使用由Paris所提出表达公式：
其中，C、m都有结构材料所确定，在实际分析过程中需要通过试验获得。
参考文献
[1] 邵晨国，冯春光. 船舶结构疲劳简介[J]. 科技风， 2013（18）.
[2] Terai，K.，Tomita，Y.，Hashimoto，K.and Osawa，N. Fatigue design method of ship structural members based on fatigue crack growth analysis[C].Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference，4，2011：589-594P.
关键词：船舶；结构强度；裂纹扩展
1、造成船舶结构疲劳的原因及影响因素
1.1 造成船舶结构疲劳的原因
导致船体结构出现疲劳破坏的主要原因就是结构中存在的微裂纹，同时在结构使用过程中出现裂纹扩展。在作业过程中，船体的构件将在作业载荷的影响下而受到交变应力，这时船体的结构件将会因为客观存在的缺陷（焊接裂纹、夹层等）而出现疲劳破坏。一旦交变载荷产生的应力超出某一个具体的限度，构件应力最大区域将会产生裂纹。这时，在不断的循环作用下，裂纹将逐步扩展，一旦达到对应的尺寸，将出现断裂破坏。
1.2影响船体结构疲劳寿命的因素
对结构疲劳载荷特性分析的基础理论是S-N曲线，其中用σ表示构件工作过程中所承受的名义应力造成的应力，N则表示对每个构件产生断裂结果的应力循环次数。从S-N曲线图中可知，断裂循环次数将随着材料的应力下降而增加。从试验结果以及理论分析可知，当构件的截面部分出现突变时，这部分的局部应力将迅速增加，并以此为中心逐步向周围区域缓和，即在该处出现应力集中问题。
利用S-N曲线可以计算得到结构疲劳寿命的近似计算公式（1）：
其中，N表示结构的疲劳寿命；σ表示名义载荷下的应力；K表示应力集中因素；C为常量，例如环境与应力状况等。其中，应力集中因素K与结构几何形状、焊接结构、不对称形式等相关。
因此，在结构设计过程中，一个合理的结构形式、良好的焊接方式以及对称的强化形式对船体的整体结构疲劳寿命产生直接影响。
2、应力集中系数的计算问题
在对船体结构进行结构疲劳载荷分析时，需要利用S-N曲线对疲劳累积损伤进计算，其遵循的一个重要原则就是要确保结构的评估处应力的定义必须与所获得的S-N曲线相一致。因此，在进行结构的疲劳强度分析前，必须对应力类型进行分类。
在结构疲劳分析过程中，可以将结构所承受的应力分为三种：名义应力、集合应力以及切应力。其中，结构的名义应力就是受力结构对应截面上计算得到的平均应力，其可以通过粗略网格的有限元模型计算得到，但是不包括焊接接头等细节构造而造成的应力集中；结构几何应力（热点）则是除焊缝自身应力集中之外，因为焊接结构细部构造而产生的应力集中，通常在焊接结构的焊趾处，可以通过细化的有限元网格模型计算得到；切应力则是焊接结构焊趾处产生的总应力，一般包括焊缝自身应力以及集合应力，在计算过程中可以通过乘以对应的应力集中系数计算得到，或者通过加密的有限元网格计算得到。
设计规范中明确指出S-N曲线是通过光滑试件的疲劳实验计算得到的，在计算过程中并没有考虑到应力集中的问题，即在计算过程中应力集中系数k=1.0。所以，从应力的分类情况来讲，在S-N曲线中计算的曲线应力应该是切口应力。而在实际的结构疲劳强度分析过程中，通常在获得的名义应力基础上乘以一个应力集中系数，从而利用几何应力、焊缝导致的应力集中得到切口应力。
3、S-N曲线的选择
根据CCS规范中的相关要求，S-N曲线应该采用经过修正的英国能源部制定的非管节点的8根基本S-N曲线。这些曲线可以用于对最小屈服强度低于400N/mm2的钢结构材料，其具体的参数如表1所示：
在对船体结构节点的疲劳强度进行计算时，可以根据CCS中的相关规范规定的一般性原则，例如该规范的2.2节所确定的5f1：1节点形式、承载方向以及构造工艺等进行S-N曲线的选取。在计算集合应力集中系数时，由于船体结构中的焊接节点一般选择了E曲线，所以对应的船体结构中的其他非焊接节点疲劳强度分析时要选择C曲线。在实际的计算过程中，考虑到所计算节点位置以及具体的形状，在船体的 、湿甲板和舷台处的焊接结构分析时，通常选择E曲线进行分析。
4、裂纹疲劳扩展模型的确定
船舶结构疲劳强度分析工作中，裂纹的扩展分析是重点，而裂纹扩展的分析需要借助裂纹扩展模型。在裂纹扩展分析中，可以将之分为失稳扩展以及亚临界扩展两类。其中，失稳扩展就是裂纹一旦扩展之后将导致结构出现破坏；亚临界扩展则是导致裂纹扩展原因消除之后，裂纹扩展趋势将迅速下降。而当结构承受的循环应力处于临界应力之下，且足够大时，结构裂纹将逐步扩展，一旦达到临界裂纹尺寸，这时结构将出现破坏。
在结构疲劳强度分析过程中，应用断裂力学的方法对结构的疲劳开裂问题进行分析，在循环载荷作用下裂纹的前沿产生的应力强度因子k与材料断裂韧性值相比较小，裂纹将保持原始状态，不会出现失稳扩展的问题，这时结构将不会被破坏。但是，当裂纹进入到亚临界扩展状态时，随着循环载荷次数的增加，裂纹长度将持续扩展，当达到一定的程度之后，应力强度因子k将超出断裂韧性值。这时，结构裂纹将进入失稳扩展状态，结构产生破坏。
另外，当载荷循环次数增加、裂纹长度增加时，裂纹应力强度因子将不能达到材料的断裂韧性值，虽然这时裂纹没有进入失稳扩展的状态，但是其长度已经达到了临界长度，同样会造成结构的破坏。对于船舶结构而言，常见的疲劳强度破坏就是这话总裂纹扩展的结果。
在计算过程中，可以使用由Paris所提出表达公式：
其中，C、m都有结构材料所确定，在实际分析过程中需要通过试验获得。
参考文献
[1] 邵晨国，冯春光. 船舶结构疲劳简介[J]. 科技风， 2013（18）.
[2] Terai，K.，Tomita，Y.，Hashimoto，K.and Osawa，N. Fatigue design method of ship structural members based on fatigue crack growth analysis[C].Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference，4，2011：589-594P.