英语原文共 236 页

船舶结构疲劳评估

第一部分 综述

1 介绍

本指南(CG)透明和详细的描述了疲劳评估方法和程序，以支持和满足规范中给出的要求。规范提供了要求并与本指南进行了比较。

2 符号和缩写

2.1缩写

FE	有限元
FEA	有限元分析
FEM	有限元模型
CG	指南
RP	建议措施
CSR	共同结构规范
COG	重心
EDW	等效设计波
LCF	低周疲劳
HCF	高周疲劳
H(omega;,beta;)	传递函数
LF	低频率
WF	波频率
HF	高频率
NA	北大西洋
WW	全世界
PSM	主要支撑构件
RAO	幅值响应算子
TRF	传递函数
STR	短期响应
LTR	长期响应
A-E	普通强度钢
A-E32/36	屈服应力为315/355 N/mm２的高强钢
VBM	垂向弯矩
HBM	水平弯矩
VSF	垂向剪切力
HSF	水平剪切力
AF	轴向力
NDE	非破坏性检查

2.2 坐标系和符号规定

右手坐标系的原点如图1所示，x、y、z为原点到构件荷载点的纵向、横向和竖向距离。在定义正向运动的规范中给出了一个类似的坐标系，与定义惯性载荷或内部压力载荷相关，但是原点定义在重心上。规范中还定义了正的船体梁荷载，可以参考中性轴上的原点。在根据这些不同的定义估计疲劳应力时，应谨慎使用。

图1 坐标系

定义拉应力为正应力，压应力定义为负应力，如中拱波浪弯矩弯矩定义为正。

3 应用

3.1 综述

本指南包括以下基于波浪载荷和船舶运动循环应力的疲劳强度评估程序，但不限于

• 船舶钢结构
• 焊接在船体结构上的基础
• 其他指定为主要结构物的区域
• 焊接在船体结构上的附件和舾装件

受原材料和制造技术的限制，本指南可用于修改现有船舶结构。本CG适用于屈服应力小于500n /mm 2的C-Mn钢、超双合金钢和奥氏体钢。铝的疲劳承载能力不包括在内，可参考IIW, ref [9.10]。

3.2 计算和观察疲劳强度

实际疲劳性能可能与设计计算结果不同，这是由于制造工艺、防腐、维护等重要因素以及实际遇到的疲劳载荷等因素的影响。为了使计算得到的疲劳强度与实际疲劳强度有较好的相关性，计算中的假设需要反映预期条件。

3.3 振动

本指南没有考虑波浪引起的船体梁振动的影响。App.I和DNVGL-CG-0153

对如何考虑波浪振动对全身船舶(油轮、散货船和矿运船)的疲劳影响提出了指导

集装箱船的疲劳和极限强度评估包括鞭笞和弹跳。波浪引起的振动也可能对其他类型的船舶造成疲劳损伤。

3.4 低周疲劳

没有考虑到低周疲劳的影响。低循环疲劳，例如发生在装卸周期中或在操作过程中起重机容量利用率高时。

4 疲劳评估方法

4.1 用于疲劳评估的应力类型

根据应力计算方法和船舶结构模型，可以通过板的自由边的名义应力、热点应力或局部应力进行疲劳评估。基于名义应力和局部应力的疲劳寿命可以通过名义应力S-N曲线来评估。热点应力可以直接计算得到，也可以根据名义应力乘以应力集中因子(K)得到，后两种情况下的疲劳评估应使用热点应力S-N曲线。

4.2 应力计算的方法

长期应力范围分布是比较疲劳载荷与疲劳承载力的基础，用S-N曲线表示。本指南概述了三种应力范围计算方法:

1. 一种对长期应力范围分布的规定载荷评估，用一个特定概率水平的动态应力范围和一个直线图谱来表示。
2. 一种直接计算船舶波浪载荷的设计波方法并使用直线图谱。
3. 一种考虑波的长期动态应力范围分布的谱分析方法。

在第一种方法中，荷载基于规范规定的等效设计波(EDW)，并应用于梁或有限元模型，载荷分量由规定的公式组合而成。

在第二种方法中，根据规范建立船舶的具体设计波来表示荷载。设计波可以应用于梁模型和各种类型的有限元模型。考虑相位关系，将载荷分量进行组合。

第三种方法是根据直接计算的某型船舶水动力荷载和特定波浪散点图，得到了长期应力范围分布。载荷可应用于梁模型和各种类型的有限元模型。在考虑相位关系的情况下，准确地组合了载荷分量。

4.3 选择规定的或直接的应力计算方法

规范给出了标准船舶类型的计算方法

可根据以下条件进行细化分析:

• 有应用于类似结构细节的方法的经验
• 类似细节产生裂纹的经验
• 疲劳损伤的结果

一般来说，规定的疲劳评定方法能较好地反映疲劳强度，然而，通过改进的设计分析，假定计算疲劳寿命的可靠性会得到提高。

5 疲劳研究方法

5.1综述

根据效率和适用性的不同使用不同的方法。焊接接头可采用以下方法:

• 名义应力S-N曲线
• 热点应力S-N曲线
• 焊缝缺口应力S-N曲线，本指南中未使用，参考DNVGL-RP-C203

对于母材(自由边)，可采用以下方法:

• 母材的S-N曲线局部应力在自由板边缘取决于表面条件，如Sec.2 [2]所述。

名义应力，如图4所示，可用截面力和弯矩的梁理论导出，也可由有限元模型导出。在如图3所示带有附件的简单板材试样中，名义应力为膜应力。用这种方法进行疲劳设计的一个例子是甲板上的横向对接焊缝。

热点应力，如图5所示，为结构应力，除了名义应力外，还包含结构不连续和附着体存在所引起的部分应力增加。由于在对应的热点S-N曲线中考虑了局部焊缝几何形状引起的焊缝切口应力，因此将其排除在应力计算之外。

焊缝切口应力，如图5所示，定义为由细节处几何形状产生的总应力和焊趾处切口引起的非线性应力场。切口应力法也适用于焊根部。自由边的局部应力，如图4所示，定义为自由边细节处的几何形状所产生的应力，例如一个开孔或舱口角。对于更复杂的几何形状，需要用有限元分析来评估局部应力。S-N曲线的选择可能取决于加工过程中检验的数量和类型，S-N数据固有缺陷的大小在App.G中描述。

应注意的是，在焊接接头中，有几个位置可能会产生疲劳裂纹，如在焊趾处、焊缝根处和焊缝本身，每个可能的位置可能需要单独考虑。

5.2 裂纹失效模型

考虑以下疲劳失效模型，如图3所示:

• 焊趾开裂进入母材，见图3 a)，在焊接结构中，从焊趾处产生疲劳裂纹进入母材是一种常见的失效模式。疲劳裂纹产生于焊缝坡口几何形状引起的应力最大的焊趾处的小缺陷或缺陷处。
• 焊根处通过角焊缝开裂，见图3 b)，焊缝裂纹扩展的角焊缝根部疲劳开裂是一种失效模式，可导致严重后果。在高应力十字接头中应避免使用角焊缝。在这种连接方式下，无损检测(NDE)的可靠性不如全熔透焊接，因为在裂纹到达表面之前，很难检测到裂纹从根部扩散。为了避免根部失效，需要有足够的焊缝焊接厚度或部分/全部熔透焊缝，参见图2和图3。
• 焊根处开裂进入焊缝下截面，见图3 c)，疲劳裂纹已经从焊缝根部扩展到焊缝下截面。这种失效模式的失效循环次数可能与焊趾的疲劳失效具有类似的程度。但是，要提高疲劳强度，只能在局部采用其他类型的焊缝，如焊趾的改进可能使根部成为关键位置，必须对根部进行改进。这可以通过部分或全部渗透焊缝而不是角焊缝接近焊缝连接的终止处。
• 裂纹从表面不规则处、切口或热切割边缘扩展到母料，见图3d)，母料的疲劳开裂是一种失效模式，与高应力范围区域有关。疲劳裂纹往往是由零件的切口或凹槽或小的表面缺陷/不规则引起的。这种细节问题的例子有开孔和舱口角。

1. 疲劳裂纹从焊趾处扩展到母材

1. 疲劳裂纹从焊根处向角焊缝扩展

1. 疲劳裂纹从焊根处扩展到焊缝下的截面

1. 疲劳裂纹从表面不规则或切口处扩展到母材

图3 失效模式

5.3 采用局部和名义应力法进行评估

在名义应力定义良好的情况下，可以使用相关的名义应力法S-N曲线。节点分类和相应的FAT级别考虑了节点本身和焊缝外形所产生的局部应力集中。设计应力是名义应力sigma;n,作用在考虑焊缝临近。但是，如果由于结构的几何形状，使得节点处于总应力集中区域(K g)，则需要考虑如图4所示，并推导如下:

图4 名义应力和局部应力

5.4 使用热点应力法评估

母材焊趾处的相关热点应力是指结构几何形状引起的应力集中在靠近潜在裂纹位置处的最大主应力范围。例如图5所示的焊接头,有关应力是热点应力sigma; HS。对于图3所示的焊缝，应力集中系数需要包括横向附件的局部几何形状和孔的几何形状。

如纵向端部连接，或应力集中系数取决于荷载分量或存在多个热点的其他细节处，建议采用热点应力法。然后根据名义应力与热点应力之间的关系得到热点应力

图5 热点应力和切口应力

5.5 应力范围

动态应力变化也被称为应力范围(Delta;sigma;)或应力幅(sigma;)。对于平均应力为零的线性响应，采用以下关系:

或者，如果平均应力不等于零，则应力范围可以表示为:

应力范围,Delta;sigma;,被用作S-N曲线的参考

6 附加标志

6.1 综述

DNVGL-RU-SHIP Pt.6指定了不同的符号。本小节概述了与疲劳评估或损伤相关的符号

6.2 CSA

CSA要求指定的结构细节应由直接计算的荷载进行评估，这包括典型的纵向连接，加强筋之间的板和规范中规定的细节。对于某些细节，需要进行局部有限元分析，而这些局部模型是全局有限元模型中的子模型。

6.3 RSD

RSD要求建立集装箱船的直接波浪载荷分析和整体有限元模型。疲劳评估的典型细节结构是船体梁上部的舱口角、纵向连接端部和焊接细部。

6.4 PLUS

PULS要求基于规范中规定的载荷对指定的结构细节进行扩展评估。它通常包括纵向和热点和规范中指定的细节。该方法基于局部有限元分析，局部模型分为局部船体模型和全局有限元模型。

6.5 HMON

HMON指认可的船体监控系统。船体监测系统，包括应变传感器，是一个决策支持系统(DSS)，为值班人员提供船体结构疲劳(和极端)载荷的一般指导和具体结构细节。这些测量还记录了波浪引起的振动(如颤振和鞭激)对疲劳(和极端)的影响。船上显示了由于航向和速度变化而引起的疲劳载荷变化，并可在岸上进一步检查测量数据。

6.6 VIBR和COMF（V）

高周疲劳损伤也可能是振动的结果。船体结构，如框架，由于发动机或螺旋桨的激励而产生的振动可能会在一些奇怪的地方产生疲劳裂纹。其他设备也可能有助于激励。对于储罐结构，流体增加的质量降低了结构构件的固有频率，这些固有频

资料编号：[4092]