基于裂纹扩展理论的船体结构疲劳评估

疲劳破坏是船舶结构的主要破坏形式之一。为了保证船舶结构有足够的疲劳强度,各国船级社、船厂等均建立了船舶结构疲劳强度校核规范作为船舶疲劳评估的指导性文件,尽管这些规范均是建立在S-N曲线方法基础上的,但由于S-N曲线方法存在自身无法克服的缺陷(如忽略材料的初始缺陷等),对同一节点进行计算得到的疲劳寿命大相径庭。该文作者在基于裂纹扩展理论的基础之上,给出了一套详细的船体结构疲劳评估方法,并应用此方法对大型船舶结构典型节点的疲劳寿命进行评估,以期能为完善船舶结构疲劳寿命的评估提供参考。     

基于谱分析方法的月池角隅结构疲劳强度分析

随着海洋油气资源开发的深水化和海洋工程船舶的大型化,船体结构的疲劳强度问题日益突出,尤其是月池角隅区域结构的疲劳问题,一直是业内关注的热点。论述了谱分析方法的基础理论,并以基于谱分析方法的疲劳强度评估流程为主线,对疲劳强度计算的完整过程作了较为详细的说明。以某深水多功能水下工程船为例,基于谱分析方法对目标船月池角隅区域船体结构进行了细化节点的疲劳强度分析,计算获得其疲劳累计损伤度和疲劳寿命值,并对于疲劳危险节点进行了结构优化。该研究为类似月池角隅区域船体结构的设计提供了可行的方法。     

船体典型结构节点抗疲劳设计

利用抗疲劳设计优化方法对油船、散货船和集装箱船的典型结构节点进行分析,梳理若干典型节点的抗疲劳设计标准。部分典型结构节点如舱口角隅等的抗疲劳设计标准可作为疲劳校核的等效方法。在设计时,通过疲劳强度计算改进结构详细节点的设计,以保证船体构件的疲劳寿命能满足要求。     

LNG船疲劳强度评估及低温影响的讨论

以某LNG船为研究对象，建立三舱段有限元模型，并根据美国船级社薄膜型LNG船体结构疲劳强度指南，基于SN曲线法的疲劳积累损伤原理，分别采用名义应力和热点应力法，对船体典型节点进行疲劳强度评估，同时对计算结果进行分析；讨论低温下材料性能改变对节点疲劳寿命评估的影响。研究表明，采用常温下SN曲线进行LNG船疲劳强度评估是合适的。     

循环载荷作用下铝合金船体板架结构疲劳特性研究

为研究铝合金船体板架结构疲劳特性,寻求循环载荷作用下船体板架结构疲劳寿命变化规律。本文以铝合金船体板架结构为研究对象,设计制作不同节点实尺度板架模型,开展循环载荷作用下铝合金船体板架结构疲劳试验,获取试验中测点应力与循环加载次数等数据,并采用Ansys/Fe-safe平台建立模型进行疲劳仿真分析,将仿真得到节点板架S-N曲线与试验结果进行对比分析。结果表明:1)铝合金板架结构疲劳破坏模式存在一般性规律,节点2板架疲劳性能更好;2)试验与仿真得到节点板架疲劳裂纹萌生及破坏位置一致,且试验测得热点应力、循环寿命与仿真水平基本相当,揭示了节点板架结构断裂原因在于高载循环应力下产生的疲劳损伤;3)拟合得到试验与仿真S-N曲线吻合度较高,且试验曲线更偏于保守、安全。研究成果可为铝合金船体板架结构疲劳强度评估及寿命预测提供参考。     

FPSO延寿疲劳评估和疲劳寿命改善设计

为探索疲劳评估方法和疲劳寿命改善设计在浮式生产储油卸油装置(FPSO)延寿改造中的应用,以"南海胜利"号FPSO原作业区的第3次延寿项目为研究对象,分别采用简化疲劳方法、热点应力法和谱疲劳分析法对船体纵骨与横舱壁和横向强框架的连接节点、舱内桁材大肘板趾端节点、模块支墩与主甲板连接处的肘板趾端节点和单点系泊系统与船体连接处的关键节点进行疲劳评估。针对疲劳高危节点,通过合理的结构形式改造,进行结构的疲劳寿命改善设计。     

基于累积塑性破坏的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命研究

船体板的总体断裂破坏往往是低周疲劳破坏与累积塑性破坏两种破坏模式耦合作用的结果,故在船体板低周疲劳裂纹扩展寿命评估中,其基于累积塑性应变的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命分析能够更为符合实际地评估船体板的总体断裂承载能力。船体板低周疲劳裂纹扩展寿命由宏观可检测裂纹扩展到临界裂纹而发生破坏这段区间的寿命。船体在实际航行中受到多次波浪外载作用而使其进入塑性变形不断累积或不断反复的破坏过程,并最终导致低周疲劳裂纹的萌生及扩展而使结构破坏,其破坏形式分别对应于增量塑性变形破坏（或棘轮效应）或交变塑性变形破坏（或低周疲劳）。局部塑性变形的累积会加剧低周疲劳裂纹不断扩展,因而基于累积塑性破坏研究船体板低周疲劳扩展寿命更为合理。文中以船体板单次循环载荷后塑性应变大小为基础,依据累积递增塑性破坏过程及弹塑性理论,计算经过N次变幅循环载荷后船体板累积塑性应变值,结合循环应力—应变曲线获得相应的稳定的迟滞回线,确定裂纹尖端应力应变曲线及确定相关塑性参量并依据选取的断裂判据判定裂纹扩展。建立循环载荷下基于累积递增塑性破坏的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命的计算模型考虑应力比对此裂纹扩展寿命计算模型的影响。由该方法计算出的疲劳裂纹扩展寿命将对正确预估船舶结构的低周疲劳强度从而提高船舶安全性有重要意义。     

船舶典型节点疲劳强度试验及S-N曲线拟合方法研究

疲劳评估的关键问题是S-N曲线的选取,对于某些结构复杂的大型船舶特有的结构形式,现有规范没有合适的S-N曲线.为了更合理准确地进行结构疲劳强度研究,本文选取某型具有复杂结构的船舶,用实尺度模型试验的方法研究几种典型节点的S-N曲线特性.通过全船有限元谱分析疲劳强度计算,筛选出疲劳问题重点关注区域,确定模型试验部位;根据疲劳问题严重区域的实船结构,设计加工典型节点实尺度疲劳试验模型;确定多个加载工况,进行典型节点疲劳强度试验,获取典型节点多种载荷工况下的疲劳寿命值,在此基础上,研究得到各节点S-N曲线及P-S-N曲线;应用试验所得P-S-N曲线,对船体典型节点部位进行疲劳强度评估,并与规范S-N曲线结果进行了对比,指出了它们的差异.     

船舶典型节点疲劳强度试验及S-N曲线拟合方法研究（英文）

疲劳评估的关键问题是S-N曲线的选取,对于某些结构复杂的大型船舶特有的结构形式,现有规范没有合适的SN曲线。为了更合理准确地进行结构疲劳强度研究,本文选取某型具有复杂结构的船舶,用实尺度模型试验的方法研究几种典型节点的S-N曲线特性。通过全船有限元谱分析疲劳强度计算,筛选出疲劳问题重点关注区域,确定模型试验部位;根据疲劳问题严重区域的实船结构,设计加工典型节点实尺度疲劳试验模型;确定多个加载工况,进行典型节点疲劳强度试验,获取典型节点多种载荷工况下的疲劳寿命值,在此基础上,研究得到各节点S-N曲线及P-S-N曲线;应用试验所得P-S-N曲线,对船体典型节点部位进行疲劳强度评估,并与规范S-N曲线结果进行了对比,指出了它们的差异。     

基于累积塑性破坏的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命研究（英文）

船体板的总体断裂破坏往往是低周疲劳破坏与累积塑性破坏两种破坏模式耦合作用的结果,故在船体板低周疲劳裂纹扩展寿命评估中,其基于累积塑性应变的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命分析能够更为符合实际地评估船体板的总体断裂承载能力。船体板低周疲劳裂纹扩展寿命由宏观可检测裂纹扩展到临界裂纹而发生破坏这段区间的寿命。船体在实际航行中受到多次波浪外载作用而使其进入塑性变形不断累积或不断反复的破坏过程,并最终导致低周疲劳裂纹的萌生及扩展而使结构破坏,其破坏形式分别对应于增量塑性变形破坏(或棘轮效应)或交变塑性变形破坏(或低周疲劳)。局部塑性变形的累积会加剧低周疲劳裂纹不断扩展,因而基于累积塑性破坏研究船体板低周疲劳扩展寿命更为合理。文中以船体板单次循环载荷后塑性应变大小为基础,依据累积递增塑性破坏过程及弹塑性理论,计算经过N次变幅循环载荷后船体板累积塑性应变值,结合循环应力—应变曲线获得相应的稳定的迟滞回线,确定裂纹尖端应力应变曲线及确定相关塑性参量并依据选取的断裂判据判定裂纹扩展。建立循环载荷下基于累积递增塑性破坏的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命的计算模型考虑应力比对此裂纹扩展寿命计算模型的影响。由该方法计算出的疲劳裂纹扩展寿命将对正确预估船舶结构的低周疲劳强度从而提高船舶安全性有重要意义。     

圆筒型FPSO上部模块支撑结构疲劳分析

与船型FPSO相比,圆筒型FPSO没有明显的总纵弯曲,上部模块与船体结构之间通常采用刚性支墩来连接,水平运动所产生的弯矩和装/卸载引起的船体垂向变形对模块支撑结构的影响较为显著。因此,以“希望6号”圆筒型FPSO上部模块支撑结构为研究对象,基于DNVGL船级社规范,介绍一种简化疲劳分析方法。以FPSO运动加速度和船体变形载荷作为载荷输入条件,利用SESAM/GeniE软件进行有限元分析,得到结构在所有组合工况下应力的扫描计算结果。根据作业海域各个方向波浪发生的概率,运用简化疲劳分析方法计算得到所关注节点的疲劳损伤和各个工况对结构节点疲劳损伤度的贡献。结果表明,所关注节点的疲劳强度均满足设计疲劳强度要求;同一节点的疲劳损伤对不同浪向的敏感度不一样。该简化疲劳分析方法同样适用于承受周期性载荷的FPSO上部模块主结构和其他型式海洋结构物的疲劳分析。     

基于谱分析法的FPSO剩余疲劳寿命研究

疲劳破坏是船舶与海洋工程结构破坏的主要模式之一。多年来,船舶结构的疲劳断裂问题一直是造船界广泛关注的问题[1]。对于由大型油船改装而成的FPSO而言,预测并延长其服役寿命是很关键的。本文通过谱分析法对船体疲劳损伤度进行计算,分别对油船和FPSO阶段进行计算从而得到FPSO剩余疲劳寿命。通过建立3D有限元模型,采用热点应力方法来确定评估处应力传递函数,分别计算各个短期海况损伤度并通过线性叠加来计算总的损伤度以及剩余疲劳寿命。根据疲劳评估结果,更加高效地实施船体结构的检测及维修。     

舰用907A钢结构高频疲劳裂纹扩展试验研究

采用预制缺口的舰体结构试样,对舰用907A钢在拉伸疲劳载荷作用下的裂纹扩展规律进行了高频疲劳试验研究,得出在拉伸疲劳载荷作用下舰体结构的裂纹扩展规律,模拟了舰船在航行时波浪交变载荷对舰船结构的破坏作用,试验结果对预报破损舰船在波浪中航行时的裂纹扩展情况具有参考作用。     

超大型集装箱船纵骨屈服强度和疲劳强度的计算与分析

纵骨的屈服强度和疲劳强度对于集装箱船十分重要,在设计建造阶段准确有效地评估连接处的屈服强度和疲劳强度具有重要意义。文章基于梁系理论和S-N曲线法,根据德国船级社(GL)和法国船级社(BV)的船体结构规范,对超大型集装箱船纵骨与主要支撑构件连接处的屈服强度和疲劳强度进行校核,将结果进行比较和分析,并提出合理化建议。     

基于裂纹扩展的海洋平台疲劳可靠性分析

文章基于裂纹疲劳基本理论,针对在役导管架平台出现初始裂纹状态下结构承载力进行分析,考虑结构损伤与腐蚀等因素,建立了典型导管架平台整体结构模型和局部子模型,分析了在该工况下平台整体结构的疲劳强度,并确定了平台结构的疲劳关键部位。采用几何应力外插法计算了热点应力,基于疲劳裂纹扩展的疲劳分析方法,计算了疲劳关键节点的疲劳寿命与疲劳可靠度。该方法能够为海洋平台结构的维护和保养提供一定参考。     

考虑检测维修更新的船体梁时变可靠性分析

目前对服役期内船舶时变可靠性的分析,主要考虑疲劳和腐蚀这两类损伤随时间累积对剖面模数的影响,但很少考虑检测维修因素对损伤的修复作用.本文以某疏浚船为例,通过Matlab软件编程,以船体梁总纵强度为分析对象,建立极限状态方程,定量计算疲劳和腐蚀随时间对剖面模数造成的折减,并定量分析了疲劳裂纹和腐蚀板件检测维修的影响,对船舶的时变可靠性进行分析.计算结果表明,疲劳裂纹和腐蚀损伤随时间累积均会引起船体梁时变可靠度降低,且腐蚀是时变可靠度降低的主要因素;对裂纹和腐蚀板件的检测维修能恢复船舶的可靠度,时变可靠度恢复的效果与裂纹检测精度和腐蚀板件最小允许折减量比率有关.建议在后续研究中将对损伤的检测维修因素纳入分析.     

耐压船体结构典型接点疲劳寿命评估

潜艇在潜浮过程中,由于静水外压引起的工作应力与焊接残余应力叠加,形成拉压循环应力,导致耐压船体的局部结构可能出现低周疲劳裂纹.一般情况下,高强度钢在抗拉强度提高的同时往往伴随着材料塑性储备和断裂韧性的下降,因此分析高强度钢潜艇结构的低周疲劳寿命非常重要.本文基于断裂力学和Paris公式建立了潜艇耐压结构低周疲劳寿命的工程估算方法,根据裂纹无损检测的概率统计和含裂纹圆柱壳极限应力分析,给出了初始裂纹和裂纹临界状态的建议值.应用本文的简化方法分析了某潜艇结构和锥柱结合壳模型的低周疲劳寿命,锥柱结合壳模型的数值算例表明本文的计算结果与试验测试结果相吻合.     

船体结构钢焊接节点振动疲劳强度评价

对船体结构钢（２Ｃ和９０３）焊接节点进行了振动疲劳强度试验研究，建立了一个基于疲劳试验结果得到的σ９９．９与已有规范中疲劳允许力值（σ）之间的关系。这个关系对今后规范中允许应力的制定有参考价值。     

一种新的海洋平台管节点应力评估方法

海洋工程焊接管节点受应力集中及复杂随机载荷的联合作用,容易发生疲劳破坏。为了提高焊接管节点结构疲劳寿命预测的准确性,文章以管壁厚方向上的一点作为疲劳评估点,提出了一种新的管节点结构应力计算方法。通过与国际上公开发表的疲劳试验数据进行比较,证明了文中方法应用于管节点结构的可行性及考虑壁厚方向应力梯度的有效性。基于数值计算,文中还提出了可用于T型管节点应力集中系数计算的参数公式,并对参数公式的精度进行了验证。