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船舶在波浪中航行時受載情況經(jīng)常變化，使船體構(gòu)件長期處于交變應(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于大型船舶和使用高強度鋼的船舶，疲勞問題顯得尤為突出。第七屆國際船舶結(jié)構(gòu)力學會議論文指出，對于大型船舶來說，船長超過200 m的總損傷的70%屬于疲勞損傷。為了避免因疲勞強度不足而造成船舶損壞，多年來在船舶和海洋工程領(lǐng)域?qū)ζ趶姸冗M行了有限元分析研究。
在這些研究基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計、制造、安裝和營運中的經(jīng)驗，世界各主要船級社都提出了可供結(jié)構(gòu)設(shè)計階段應(yīng)用的疲勞強度計算方法。但多數(shù)為結(jié)構(gòu)疲勞分析的簡化計算方法，方法中帶有很多假設(shè)，且只適合常規(guī)船型。當代船體結(jié)構(gòu)設(shè)計已由常規(guī)船的規(guī)范設(shè)計向采用現(xiàn)代船舶力學理論進行直接設(shè)計的逐步過渡，船體結(jié)構(gòu)疲勞強度分析也已具備直接計算的條件。
在目前廣泛采用的船體結(jié)構(gòu)疲勞強度計算中，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，導致船舶運動，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頻率相一致的高頻振動應(yīng)力成分存在。
近幾年來，非線性波浪載荷(含砰擊)作用下的船體結(jié)構(gòu)疲勞損傷，已成為船舶力學研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計界頗為關(guān)注的前沿論題，有多項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度分析直接計算法的原理和步驟。
研究疲勞斷裂問題基本可以采取斷裂力學方法和S-N曲線法，斷裂力學方法基于Paris裂紋擴展法則，當外載荷作用時，考慮疲勞裂紋的擴展過程，最后預報出臨界裂紋出現(xiàn)的時刻，S-N曲線法通過試驗得出適合各種結(jié)構(gòu)類型的S-N曲線，結(jié)合Palmgren Miner累積損傷準則，使S-N曲線由預報船舶裂紋起始壽命擴展到估計船舶結(jié)構(gòu)的全壽命.目前實用的船體結(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算法包括以下內(nèi)容：(1)疲勞校核部位的確定；(2)設(shè)計S-N曲線的選取；(3)非線性隨機波浪載荷計算及相應(yīng)總體疲勞應(yīng)力幅值范圍確定；(4)船體海水動壓力及艙內(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)計應(yīng)力范圍的合成；(6)根據(jù)應(yīng)力范圍長期概率分布，計算許用應(yīng)力范圍；(7)計算累積損傷度；(8)必要時考慮應(yīng)力集中影響。
在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)中，各國船級社在規(guī)范中都提供一些常用的S-N曲線，典型的如英國標準協(xié)會(BSI)和英國能源部(UK DEn)的S-N曲線，目前絕大多數(shù)的船級社都采用DEn S-N曲線，兩段S-N曲線模型可寫成式中，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，按水彈性理論計算了非線性波浪彎矩M，用雨流計數(shù)法得到該時間段中各循環(huán)的應(yīng)力幅值范圍S的長期分布服從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、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)，在船舶疲勞壽命計算中影響較大。
各國做了大量的實船試驗和分析研究，提出了形狀參數(shù)k的計算公式，但回歸的公式大多數(shù)是船長的函數(shù)。基于Palmgren Miner累積損傷準則，即認為結(jié)構(gòu)在多級恒幅交變應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞破壞時，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)力幅值范圍的長期分布密度函數(shù)可計算船體結(jié)構(gòu)的疲勞累積損傷度，其中NT是船舶設(shè)計壽命內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。
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