船舶在波浪中航行时受载情况经常变化，使船体构件长期处于交变应力状态，疲劳破坏是船舶结构的主要破坏形式之一特别对于大型船舶和使用高强度钢的船舶，疲劳问题显得尤为突出。第七届国际船舶结构力学会议论文指出，对于大型船舶来说，船长超过200 m的总损伤的70%属于疲劳损伤。为了避免因疲劳强度不足而造成船舶损坏，多年来在船舶和海洋工程领域对疲劳强度进行了有限元分析研究。
      在这些研究基础上，结合设计、制造、安装和营运中的经验，世界各主要船级社都提出了可供结构设计阶段应用的疲劳强度计算方法。但多数为结构疲劳分析的简化计算方法，方法中带有很多假设，且只适合常规船型。当代船体结构设计已由常规船的规范设计向采用现代船舶力学理论进行直接设计的逐步过渡，船体结构疲劳强度分析也已具备直接计算的条件。 
      在目前广泛采用的船体结构疲劳强度计算中，外载荷通常是按线性切片理论得到的波浪弯矩。然而，由于有些船舶如大型集装箱船的非直壁、船首大外飘以及底部砰击、外张砰击和甲板上浪等因素的影响，导致船舶运动，特别是波浪载荷呈明显的非线性，不仅在量值上具有拉压应力不对称、与波高的非线性关系，而且除波浪遭遇频率成分外，还有与船体梁总振动频率相一致的高频振动应力成分存在。
      近几年来，非线性波浪载荷(含砰击)作用下的船体结构疲劳损伤，已成为船舶力学研究与结构设计界颇为关注的前沿论题，有多项研究成果显示非线性波浪载荷作用下的船体疲劳明显大于线性理论所得的结果，本文提出考虑非线性波浪载荷作用的船体疲劳强度分析直接计算法的原理和步骤。
      研究疲劳断裂问题基本可以采取断裂力学方法和S-N曲线法，断裂力学方法基于Paris裂纹扩展法则，当外载荷作用时，考虑疲劳裂纹的扩展过程，最后预报出临界裂纹出现的时刻，S-N曲线法通过试验得出适合各种结构类型的S-N曲线，结合Palmgren Miner累积损伤准则，使S-N曲线由预报船舶裂纹起始寿命扩展到估计船舶结构的全寿命.目前实用的船体结构疲劳分析主要采用S-N曲线法。考虑非线性波浪载荷的S-N曲线法疲劳分析的直接计算法包括以下内容：(1)疲劳校核部位的确定；(2)设计S-N曲线的选取；(3)非线性随机波浪载荷计算及相应总体疲劳应力幅值范围确定；(4)船体海水动压力及舱内货物压力作用下的局部有限元分析以及局部应力范围确定；(5)根据校核构件所在的不同部位确定设计应力范围的合成；(6)根据应力范围长期概率分布，计算许用应力范围；(7)计算累积损伤度；(8)必要时考虑应力集中影响。   
      在船舶与海洋工程结构中，各国船级社在规范中都提供一些常用的S-N曲线，典型的如英国标准协会(BSI)和英国能源部(UK DEn)的S-N曲线，目前绝大多数的船级社都采用DEn S-N曲线，两段S-N曲线模型可写成式中，A，C分别是S-N曲线低周段和高周段的常数；分别是S-N曲线低周段和高周段的斜率的倒数。在文献中考虑非直壁、外张砰击、底部砰击等非线性因素，按水弹性理论计算了非线性波浪弯矩M，用雨流计数法得到该时间段中各循环的应力幅值范围S的长期分布服从Weibull分布，其概率密度函数为式中k为Weibull分布形状参数；e为Weibull分布尺度参数。形状参数k与船长、船舶类型、构件在船体中的位置及所考虑的波浪环境有关，在船舶疲劳寿命计算中影响较大。
      各国做了大量的实船试验和分析研究，提出了形状参数k的计算公式，但回归的公式大多数是船长的函数。基于Palmgren Miner累积损伤准则，即认为结构在多级恒幅交变应力作用下发生疲劳破坏时，其总的损伤度是各应力范围水平下的损伤分量之和。于是，利用疲劳寿命曲线和疲劳应力幅值范围的长期分布密度函数可计算船体结构的疲劳累积损伤度，其中NT是船舶设计寿命内的应力循环次数。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
                                                                                                                                                      杭州那泰科技有限公司
                                                                              本文出自杭州那泰科技有限公司www.nataid.com，转载请注明出处和相关链接！