船体结构疲劳寿命的评估

廖俊俊

摘要：疲劳破坏对工程结构和构件有重要的影响，大量的实例证明，疲劳破坏也是船舶结构破坏的主要原因。近年来，国内外开始发现并重视船舶结构的疲劳问题，并得到很多高质量的理论和研究成果，使得船舶安全性得到一定程度的提升。但由于船体构造的复杂性，以及航行环境的多变性，使得船舶的疲劳计算也相当复杂。本文主要介绍了基于S-N曲线和Palmgren-Miner线性累积损伤准则的疲劳累计损伤方法（简称S-N曲线法）以及基于Paris裂纹扩展法则的断裂力学方法（简称断裂力学法）两种宏观分析方法，并对疲劳载荷、疲劳应力、船体健康监测系统、疲劳强度评估的一般步骤做以简单介绍。

关键词：船体结构、疲劳破坏、累计损伤

1船体结构疲劳强度与疲劳寿命概述

1.1船体结构疲劳强度与疲劳寿命的研究进展

船舶在运行经营过程中必定会经历风浪，风浪会使船舶处于中拱、中垂交变应力的状态，这种交变载荷周期性的累加到一定程度，量变产生质变，就会造成船舶的疲劳破坏。由于船舶无时无刻不漂泊在水中，其航行路线的气象状况、载货状态、航行速度都在不断变化，因此疲劳破坏从船舶入水的那刻起一直伴随终身，是船舶破坏的一种主要形式。由于疲劳不会对船体造成立即破坏，而是累积到一定程度船体材料才会产生失效，因此如何提早发现，在船体材料失效前及时做出正确的评估可以有效地减少海难的发生、人员的伤亡及财产的损失。

关于疲劳理论，是在1962年由Vedeler发现并提出，但没有引起足够的重视。70年代末Jordan和Cochran对大量船舶疲劳裂纹的实际调查结果引起了一定范围内的重视。在此基础上Munse等人探讨了疲劳强度的校核方法并提供了S-N曲线，Chen等人提出了用开口角隅处测得的应变来预报疲劳寿命的方法，Clarke研究了水面舰船的疲劳破损情况，Wirsching和Chen提出了应用基于概率论的方法进行分析，也即进行疲劳寿命的可靠性分析。

又经历了几十年调查统计的佐证终于引起了整个船级社的重视。德国劳氏船级社（GL）第一个将疲劳强度校核方法正式列入船舶设计规范。随后其他主要船级社：DNV（挪威船级社）、ABS（美国船级社）、LR（英国劳氏船级社）等也分别建立了各自的疲劳强度校核方法。

1.2我国船体结构疲劳强度与疲劳寿命的研究需求

自从我国加入世界贸易组织后，对外货运贸易显著增加，这就对我国船舶安全性提出了巨大的考量要求，因为：

①优化结构的高度使用

②高强度钢以及简化结构元件和制造技术的大量运用

③老化结构数量的增加

④公众对于生命和环境保护的日益敏感

我国从80年代初就有人从事这一领域的研究探索，虽然取得了重大的进展，但还没有建立完整的、全面的校核体系，实际成果还没有投入实践，如何解决疲劳破坏产生的一连串的后续问题是我国船舶设计部门亟待解决的问题。通常研究疲劳强度有两种方法：

㈠S-N曲线法。通过前期实验得出结构材料普遍适用的S-N曲线，再结合Palmgren-Miner累计公式计算结构的疲劳寿命。

㈡断裂力学方法。任何结构和零件从微观视野中都会存在裂纹。当有力作用时，在裂纹的尖端就会产生相应的应力场，可用应力强度因子K的参量来表述，它的应力临界值为KC，到达应力临界值时结构就会解体。当应力强度因子的合理表达式及材料的断裂韧性已知，就可通过计算求出产生破坏的临界裂纹尺寸。

尽管在设计时工程师都是严格按照规范对船体结构进行计算，但其都是参照理想化的模型设计的，因此如何评估船舶在实际服役期内的结构极限，作出及时的检测、维修、预判，对船舶的运行安全显得越来越重要。

2疲劳累积损伤理论

疲劳过程一般来说可以分为三个阶段：细纹的产生，裂纹的稳定扩展和断裂。由于制造材料不可避免的存在缺陷，其表面会有大量的微裂纹，在应力作用下这些微裂纹扩展、聚合，凝集成宏观裂纹，宏观裂纹进一步扩大、交接形成带有严重危险性的危纹，并最终断裂。疲劳破坏的原因与强度破坏的原因不同。强度破坏是一种极值破坏，受极值应力幅值影响，是一种瞬间的破坏，而疲劳破坏是由交变应力引起的逐渐累积的破坏。

由于疲劳破坏用微观层次来分析极为复杂，故目前的分析都是建立在宏观层次上。宏观层次上的两类分析方法就是:基于S-N曲线和Palmgren-Miner线性累积损伤准则的疲劳累计损伤方法以及基于Paris裂纹扩展法则的断裂力学方法，即所说的S-N曲线法和断裂力学法。S-N曲线法适用于预测裂纹产生的寿命，通过将裂纹扩展过程简化为状态进而估算结构全寿命。而断裂力学法适用于预报临界裂纹出现的时刻，但其必须建立在初始裂纹总是存在的基础上，不计裂纹的起始寿命。两种方法各有优势，也各有短板，最科学合理的办法是将二者结合起来，用S-N曲线计算裂纹产生的寿命，用断裂力学法计算裂纹扩展的寿命，二者相加算总寿命，但这样操作起来复杂，目前还是S-N曲线法为主要算法。

3世界各船级社的设计S-N曲线

S-N曲线的选择是疲劳校核中很重要的一个环节，其影响因素包括：

（1）所选用材料的特有属性。包括材料的刚性强度、材料的韧度等；

（2）典型节点的结构形式。如焊接节点的结构类型、何种类型的孔边缘、何种类型的开口边缘等；

（3）所采用的制造工艺及技术质量。这就与各国的工艺技术水平有关，如切割、焊接的好坏，焊接点的平滑与稳定性等。

对不同国家来说这三个影响因素的影响力大小是不同的，各国应该通过本国工艺的实际情况，在实验的基础上确定下属于本国的S-N曲线。但这样做费时又费力，除了极少数一些财力雄厚的发达国家这样做外，大部分国家都是直接借鉴别国的研究成果，通过少量的实验确定是否需要修改。但这样做也是有根据的，原因有以下四个：

（1）现今世界上钢材生产工艺已普遍达到较高水平，各国生产的钢材质量不分伯仲，因此在船舶结构材料的疲劳设计计算中将其忽略也情有可原。同样的，在分析时平均应力这个因素带来的影响很小，而将其引入分析中会带来相当大的复杂性。影响平均应力的因素很多，比如货物的摆放位置及高度、燃油的消耗程度等都会使平均应力发生改变，因此平均应力具有相互平衡的倾向，故将其忽略。

（2）典型节点结构形式的不同如果放在设计计算中会非常复杂，可以在校核过程中加以考虑。

（3）国际质量认证体系的普及使得各国的生产制造工艺质量趋于一致，因此生产工艺也不是影响的主要原因。

（4）在船舶结构设计时全部应该采用确定性原理，但实际上有很多不确定性需要处理。

①作用与结构的载荷具有很大程度的不可确定性，尤其是波浪载荷，波浪是一个由多种随机因素共同决定的不确定随机过程，其对船体的影响也是随机的、不确定的，只能用概率统计法推断②材料性能的不稳定性。如材料的强度极限、韧性极限等，对同一型号钢材，同一位置点上进行实验所得的值也不完全相同，这是由材料的“缺陷”所致，而这个“缺陷”又取决于多个随机因素。

③加工工艺的不确定性。如钢板的厚度、切口的平滑程度、焊接的质量等，这一因素对疲劳破坏影响很大，即使选用性能完全相同的钢材，实际结果也是不可知的。

④分析过程中的不确定性。比如由于缺乏实际信息对波浪、波浪载荷等所做的统计上的假设和近似，由于设计中采用的理想化模型所做的假设、近似而造成的分析结果的偏差。

⑤由使用过程中的操作不当而引起的结构强度不确定性。

与以上不确定性相比，S-N曲线的误差并不是最主要的矛盾。疲劳强度校核根据应力种类不同可分为四种方式：切口应立法、名义应立法、热点应力法和切口应变法。除了DNV采用切口应力法外，其他大部分都是采用名义应力法和热点应力法。经研究这两种方法的疲劳强度误差较小，仅有10%-30%。

4疲劳载荷和疲劳应力

疲劳载荷和静强度载荷的来源都是海浪、装载和推动力但其值是不一样的。疲劳载荷是一种累积的，根据循环次数和幅值范围而定，而静强度载荷是由极值决定，所造成的静强度破坏是一种突然的破坏。波浪载荷成份分为波浪对船体的交变应力、内部惯性载荷、货物压力等。

结构的疲劳损伤主要是由海水波浪无规则的运动作用在船体结构上产生的交变应力造成的，这不是一个一成不变的理想化模型，而是一个变化的随机过程。设计应力分为总体应力和局部应力两部分，但都可以通过结构力学的相应公式计算。总体应力包括垂向弯曲应力、水平弯曲应力以及翘曲应力，局部应力包括海水动压力与货物压力。总体应力与局部应力合成总应力。

5疲劳载荷的简化计算

一般来讲导致船体结构疲劳破坏的载荷可分为四类：

（1）波浪载荷及舱内货物静载荷；

（2）底部抨击、甲板上浪等动态载荷；

（3）发动机螺旋桨引起的定常交变载荷；

（4）由于轻微碰撞、触礁等引起的低周交变载荷。

目前第一类载荷的研究体系已接近成熟，但世界上各大船级社还没有将标准统一。第二类载荷目前还处于研究阶段，在船级社中未投入应用。第三类载荷归根结底是与局部疲劳强度有关，且不是主要影响问题。第四类载荷更多的是对静强度、材料的刚性提出的考验，目前是一个研究热点，但是与疲劳强度关系不大。近期中国船级社确立专门课题，重点研究载荷，其也是将工作重心放在了第一类载荷上，第二类载荷只是做了一些探究。由于我国与世界上大部分国家一样对第二类载荷的研究还没有达到可以作为规范的程度，因此不将砰击问题纳入疲劳强度校核中，这与其他国家处理方法是相同的。英国劳氏船级社、挪威船级社等没有考虑砰击。美国船级社在理论文本上介绍了一种处理方法，但实际操作中没有实施。德国劳氏船级社仅提供了一个底部砰击的经验公式。美国船级社关于动态载荷的主要结论是底部砰击和舷外飘砰击对中剖面弯矩的贡献分别为30%和25%。因砰击是可以记次数的，而波浪载荷统计次数是不现实的，所以此结论主要适合静强度校核不适合疲劳强度校核。

对于第一类载荷，波浪载荷及舱内货物静载荷，可以分为以下几组：

（1）船体梁受到的由波浪产生的力矩（包括垂向）

（2）水平方向弯矩和扭矩

（3）外部水动压力

（4）内部的液压载荷（包括惯性载荷和由于船舶运动所附加的静水压头）。

6船体结构健康监测系统

船体结构应力监测系统由数据采集与储存子系统（解调仪、采集卡、数据库等）、传感器子系统（有线传感器、无线传感器）、数据传输子系统（光缆、采集箱等）、数据处理子系统（光缆、采集箱等）。传感器检测船舶结构状态，并将检测到的信息发送给中枢主机，再由主机进行分析、处理、运算和存储，完成检测评估。

7疲劳强度评估的一般步骤

（1）数据监测和采集

将应变检测计放到船体结构上采集相关的应变信息，通过主机中的应力应变算法程序结合力学知识将信息转变为应力信息，同时做好误差的分析和排除。

（2）数据分析处理

分段处理应力时间历程曲线，找出应力的最大值和最小值。由检测位置的不同选用合适的S-N曲线，通过雨流计数法进行随机荷载循环计数，得到应力范围和应力循环数，利用Miner准则计算累积损伤。利用Dirlik疲劳估计公式得出期望损伤。

（3）结构安全等级评估

根据船舶服役年限，估算出初始疲劳损伤，并将其与检测期间疲劳累计损伤累加，计算总疲劳累计损伤。将总疲劳累计损伤与相应的评估标准比较得出结构受力安全等级。

8结语

社会发展日新月异，经济的发展离不开交通运输业，而海航作为运输巨头对国家的经济发展起着举足轻重的地位，如何做好船体结构疲劳强度预测和疲劳寿命评估，对整个航海业乃至经济的发展都有着重要影响。

参考文献

[1]万松林,曹俊伟,王宇,等.基于谱分析法的船舶结构疲劳强度评估[J].舰船科学技术,2018,40(9):32-38.

[2]李梦伟,刘敬喜,赵耀,等.循环载荷作用下铝合金船体板架结构疲劳特性研究[J].舰船科学技术,2018,40(6):18-24.