PLUS船级符号的穿梭油轮疲劳强度分析

2018-06-13，，，

船海工程 2018年3期

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(中远海运重工有限公司,辽宁大连 116600)

PLUS是DNVGL(挪威船级社)关于结构细节疲劳强度的一个附加船级符号。该符号主要用于在恶劣海域航行，常规设计的油船、液化气船和集装箱船，其他船型也可使用。这些船一般都满足CSR或NAUTICUS(Newbuilding)要求。PLUS需要对CSR或NAUTICUS(Newbuilding)要求以外的指定结构细节进行有限元疲劳强度校核，DNVGL船级社专门针对此船级符号出版了指导规范，即“CN34.2 Plus-extended fatigue analysis of ship details”[1]。考虑结合该规范，总结PLUS疲劳校核的流程，分析PLUS船级符号在穿梭油轮上的应用及对其结构设计和疲劳强度的影响。

1 校核范围

PLUS疲劳强度校核覆盖整个货舱区域，包括艏货舱、中货舱、艉货舱，见图1。穿梭油船装卸周期为1～2周，远小于常规油船的1～2月。因此，装卸货时的重复静载荷引起的高应力低周疲劳也需要进行校核，它可能在动应力较低的情况下导致热点产生裂纹。高周和低周疲劳需要校核的具体节点形式和位置要求分别见表1、2。

根据规范[2]要求，如果结构细节同时满足PLUS和CSA船级符号时，需根据CSA要求校核其疲劳强度，对于CSA范围以外需满足PLUS要求的结构，需要根据规范对其进行疲劳强度校核，例如双底和双壳的所有纵骨与强框的连接，包括腹板加强筋、穿越孔和补板，见图2。其他结构细节根据CN30.7[3]规范进行校核。

表1 高周疲劳校核范围

注：1)一般来讲，所有双壳和双底纵骨和强框的连接都需要校核，除了该指定位置进行直接计算外，其他位置通过筛选的方法进行校核。

表2 低周疲劳校核范围

注：1)对强框腹板加强筋，具有大跨距，采用大规格纵骨比较危险；对穿越孔和补板，强框的高剪应力区和没有腹板加强筋的位置比较危险。

2 强度校核

纵骨-强框连接结构的疲劳强度是船舶疲劳的重要组成部分，业内同行针对不同船型的该部分结构的相关研究[4-7]与PLUS疲劳强度计算的要求有较大区别。从表1、2可见，纵骨-强框连接结构的疲劳强度校核既包含高周疲劳，又包括低周疲劳，热点应力的计算方式也有差异。

2.1 高周疲劳强度校核

2.1.1 计算方法和流程

纵骨-强框连接结构的疲劳强度校核采用热点应力法，如式(1)。其校核流程见图3。

σHS=SCF·σn

(1)

式中：σHS为热点应力；SCF为应力集中系数；σn为半名义应力模型读取的名义应力。

2.1.2 PLUS校核的工况与载荷

对于穿梭油船，需要考虑对正常压载到港和满载离港两个装载工况进行疲劳校核，其在整个生命周期所占比例见表3。其他船型可根据需要选择除此之外的典型装载工况。

表3 计算工况

对于纵骨-强框连接结构进行PLUS疲劳校核，船体梁载荷对其结果影响较小，可忽略不计，只需考虑局部载荷，包括海水、压载和货物。

在CN34.2中，采用10-4超越概率水平的波浪载荷，把同一压载工况正浮状态下的3种载荷分别在不同的载荷工况中加载，如表3所示。该加载方式主要是由后期的应力幅值计算方法决定。

2.1.3 有限元模型

对于PLUS计算的有限元模型需要2种：整体货舱模型和半名义应力模型(semi-nominal stress model)。其中整体货舱模型是基于结构净尺寸的粗网格模型，其边界条件、模型范围和网格密度等要求与CSR或者NAUTICUS(Newbuilding)的要求一致，具体可参考相关规范[8-9]。

半名义应力模型是在PLUS规范里引进的一个概念，满足以下要求。

1)热点应力位置的网格密度为50 mm×50 mm。

2)穿越孔按照真实的高度和宽度建模，圆角单元用方形单元代替，例如穿越孔角隅，见图4。

3)穿越孔补板用母材面内壳单元模拟，不用考虑与母材重叠的板厚和偏心，由偏心导致的弯曲应力通过应力集中系数来体现。

4)型材的腹板和面板用壳单元模拟，建模在其板厚的中心线处。

5)壳单元采用8节点四边形单元或者6节点三角形单元，梁单元采用3节点单元。

使用半名义应力模型代替txt细网格模型有以下优势。

1)准确捕捉几何应力流和穿越孔、防倾肘板、腹板型材指端对应力分布的影响。

2)准确捕捉型材传递到肋板腹板的剪应力分布。

3)相比txt网格，更节省时间。

4)能够有效提取用于疲劳计算的名义应力。

半名义应力模型必须严格满足以上要求，否则对评估结果会产生较大的影响。该模型既可以直接在整体货舱模型中进行局部细化，也可单独作为子模型进行有限元计算。文章采用子模型法。

2.1.4 应力集中系数

应力集中系数的选择，取决于型材与强框的连接形式。规范中给出了很多典型节点的应力集中系数[1]。这些系数经过多次试验或计算验证，具有很高的可靠性。如果使用规范中的节点形式，可以直接选择对应的应力集中系数，此时半名义应力模型的网格划分要严格遵守规范要求。对于规范中没有的节点形式，可以通过建立半名义应力模型和txt模型，分别加权计算侧向压力、轴向位移和水平位移的方式求得应力集中系数。规范中有明确的指导方法，也有工程师对此做过专门的研究[10-11]。

2.1.5 热点应力范围计算

在CN34.2中，有效组合热点应力范围通过线型叠加外部载荷和内部载荷产生的应力，再通过平均应力水平的修正后得到。公式如下。

Δσ=fm·Δσ0

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Δσ为有效组合热点应力；Δσ0为组合应力范围，见式(3)；fm为平均应力系数，见公式(4)；fe为环境系数，与航行路线有关；σe和σi分别为外部和内部动载荷引起的最大主应力；σt和σc分别为相应工况下的拉应力和压应力；σstatic为静载荷引起的最大主应力。

2.1.6 疲劳累计损伤计算

假设应力范围的长期分布满足两参数的威布尔分布，采用双斜率S-N曲线计算其在空气中累计损伤按式(7)计算。S-N曲线要素见表4。

(7)

式中：Δσ为超越n0次循环的最大应力范围。

PLUS计算中，所有的纵骨使用一个威布尔形状系数h，如式(8)所示：

h=2.26-0.54lgL

(8)

式中：L为规范船长。

表4 CN34.2中空气或锌块保护的S-N曲线要素

船舶运营周期中，海水腐蚀条件与干燥空气中的疲劳损伤不同，假设海水腐蚀条件下的损伤是干燥空气中的2倍，其整体疲劳损伤计算如下。

(9)

式中：DHFC为生命周期内高周疲劳累积总损伤；DCorrosive为腐蚀条件下生命周期内的疲劳损伤，DCorrosive=2·DInAir；Tdesign为设计疲劳寿命；TC为生命周期内结构承受海水腐蚀的时间，假定为5a。

2.2 低周疲劳强度校核

2.2.1 有效热点应力范围计算

计算穿梭油船中纵骨-强框连接结构的低周疲劳，需要考虑装载和卸载的应力峰值以及波浪作用引起的热点应力范围，计算其热点应力范围的合成，见图5。

合成热点应力范围由式(10)得到。

(10)

(11)

(12)

低周疲劳的热点应力范围很大，往往造成热点局部结构的屈服，所以有效热点应力范围需要通过线弹性分析后经过非线性修正得到。

Δσeff=ke·ψ·Δσcomb

(13)

式中：Δσeff为有效热点应力范围；ke为塑性系数，与Δσcomb/fy有关；fy为材料最小屈服强度；ψ为应力再分布系数，与Δσcomb/fy和材质有关。

2.2.2 疲劳累计损伤计算

低周疲劳计算采用单斜率的S-N曲线计算，该曲线适用于整个生命周期，其表达式如下。

logNk=1.085-3·logΔσeff

(14)

式中：Nk为对应工况应力水平下的使用寿命。

低周疲劳的累积损伤度按下式计算。

(15)

式中：Lk为组合工况k在生命周期中所占的比例。

2.3 整体疲劳损伤计算

纵骨-强框连接结构的PLUS疲劳损伤同时包含高周疲劳和低周疲劳，当低周疲劳损伤低于0.25时，可忽略不计，只考虑高周疲劳；当低周疲劳损伤高于0.25时，按式(16)计算。校核衡准见图6。

(16)

PLUS船级符号对穿梭油船纵骨-强框连接结构的疲劳强度校核同时包含低周和高周疲劳，其中高周疲劳的累积损伤、低周疲劳的应力范围和累计损伤计算方法和文献[3]一致，可参考借鉴。高周疲劳的累积损伤计算中所有纵骨只使用一个威布尔系数，无需考虑纵骨位置变化。高周疲劳计算虽然使用规范载荷，但是忽略船体梁的载荷，只加载局部载荷，计算中要注意。应力范围只考虑平均应力和环境的影响，其他焊接、板厚、材质以及腐蚀的影响需要在计算中加权考虑。