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船舶在波浪中航行時(shí)受載情況經(jīng)常變化，使船體構(gòu)件長(zhǎng)期處于交變應(yīng)力狀態(tài)，疲勞破壞是船舶結(jié)構(gòu)的主要破壞形式之一特別對(duì)于大型船舶和使用高強(qiáng)度鋼的船舶，疲勞問(wèn)題顯得尤為突出。第七屆國(guó)際船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)會(huì)議論文指出，對(duì)于大型船舶來(lái)說(shuō)，船長(zhǎng)超過(guò)200 m的總損傷的70%屬于疲勞損傷。為了避免因疲勞強(qiáng)度不足而造成船舶損壞，多年來(lái)在船舶和海洋工程領(lǐng)域?qū)ζ趶?qiáng)度進(jìn)行了有限元分析研究。
在這些研究基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計(jì)、制造、安裝和營(yíng)運(yùn)中的經(jīng)驗(yàn)，世界各主要船級(jí)社都提出了可供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段應(yīng)用的疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法。但多數(shù)為結(jié)構(gòu)疲勞分析的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，方法中帶有很多假設(shè)，且只適合常規(guī)船型。當(dāng)代船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已由常規(guī)船的規(guī)范設(shè)計(jì)向采用現(xiàn)代船舶力學(xué)理論進(jìn)行直接設(shè)計(jì)的逐步過(guò)渡，船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析也已具備直接計(jì)算的條件。
在目前廣泛采用的船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度計(jì)算中，外載荷通常是按線性切片理論得到的波浪彎矩。然而，由于有些船舶如大型集裝箱船的非直壁、船首大外飄以及底部砰擊、外張砰擊和甲板上浪等因素的影響，導(dǎo)致船舶運(yùn)動(dòng)，特別是波浪載荷呈明顯的非線性，不僅在量值上具有拉壓應(yīng)力不對(duì)稱、與波高的非線性關(guān)系，而且除波浪遭遇頻率成分外，還有與船體梁總振動(dòng)頻率相一致的高頻振動(dòng)應(yīng)力成分存在。
近幾年來(lái)，非線性波浪載荷(含砰擊)作用下的船體結(jié)構(gòu)疲勞損傷，已成為船舶力學(xué)研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界頗為關(guān)注的前沿論題，有多項(xiàng)研究成果顯示非線性波浪載荷作用下的船體疲勞明顯大于線性理論所得的結(jié)果，本文提出考慮非線性波浪載荷作用的船體疲勞強(qiáng)度分析直接計(jì)算法的原理和步驟。
研究疲勞斷裂問(wèn)題基本可以采取斷裂力學(xué)方法和S-N曲線法，斷裂力學(xué)方法基于Paris裂紋擴(kuò)展法則，當(dāng)外載荷作用時(shí)，考慮疲勞裂紋的擴(kuò)展過(guò)程，最后預(yù)報(bào)出臨界裂紋出現(xiàn)的時(shí)刻，S-N曲線法通過(guò)試驗(yàn)得出適合各種結(jié)構(gòu)類型的S-N曲線，結(jié)合Palmgren Miner累積損傷準(zhǔn)則，使S-N曲線由預(yù)報(bào)船舶裂紋起始?jí)勖鼣U(kuò)展到估計(jì)船舶結(jié)構(gòu)的全壽命.目前實(shí)用的船體結(jié)構(gòu)疲勞分析主要采用S-N曲線法。考慮非線性波浪載荷的S-N曲線法疲勞分析的直接計(jì)算法包括以下內(nèi)容：(1)疲勞校核部位的確定；(2)設(shè)計(jì)S-N曲線的選取；(3)非線性隨機(jī)波浪載荷計(jì)算及相應(yīng)總體疲勞應(yīng)力幅值范圍確定；(4)船體海水動(dòng)壓力及艙內(nèi)貨物壓力作用下的局部有限元分析以及局部應(yīng)力范圍確定；(5)根據(jù)校核構(gòu)件所在的不同部位確定設(shè)計(jì)應(yīng)力范圍的合成；(6)根據(jù)應(yīng)力范圍長(zhǎng)期概率分布，計(jì)算許用應(yīng)力范圍；(7)計(jì)算累積損傷度；(8)必要時(shí)考慮應(yīng)力集中影響。
在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)中，各國(guó)船級(jí)社在規(guī)范中都提供一些常用的S-N曲線，典型的如英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(BSI)和英國(guó)能源部(UK DEn)的S-N曲線，目前絕大多數(shù)的船級(jí)社都采用DEn S-N曲線，兩段S-N曲線模型可寫(xiě)成式中，A，C分別是S-N曲線低周段和高周段的常數(shù)；分別是S-N曲線低周段和高周段的斜率的倒數(shù)。在文獻(xiàn)中考慮非直壁、外張砰擊、底部砰擊等非線性因素，按水彈性理論計(jì)算了非線性波浪彎矩M，用雨流計(jì)數(shù)法得到該時(shí)間段中各循環(huán)的應(yīng)力幅值范圍S的長(zhǎng)期分布服從Weibull分布，其概率密度函數(shù)為式中k為Weibull分布形狀參數(shù)；e為Weibull分布尺度參數(shù)。形狀參數(shù)k與船長(zhǎng)、船舶類型、構(gòu)件在船體中的位置及所考慮的波浪環(huán)境有關(guān)，在船舶疲勞壽命計(jì)算中影響較大。
各國(guó)做了大量的實(shí)船試驗(yàn)和分析研究，提出了形狀參數(shù)k的計(jì)算公式，但回歸的公式大多數(shù)是船長(zhǎng)的函數(shù)。基于Palmgren Miner累積損傷準(zhǔn)則，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)在多級(jí)恒幅交變應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞破壞時(shí)，其總的損傷度是各應(yīng)力范圍水平下的損傷分量之和。于是，利用疲勞壽命曲線和疲勞應(yīng)力幅值范圍的長(zhǎng)期分布密度函數(shù)可計(jì)算船體結(jié)構(gòu)的疲勞累積損傷度，其中NT是船舶設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。
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