超大型集装箱船舱口角隅疲劳寿命的断裂力学评估

发布时间：2020-08-07 14:34

【摘要】：超大型集装箱船的大开口特征使得剪应力和翘曲应力在整个船舶受力中占有较大比重,这对船舶的抗弯强度、横向强度及扭转强度非常不利。因此,越来越多的高强度厚钢板应用于超大型集装箱船上,在提高直接强度的同时也引入更加严重的疲劳问题。目前,对于钢结构的疲劳评估主要采用S-N曲线法和断裂力学方法,前者在工程中广泛应用,后者由于能考虑载荷比、载荷次序等对疲劳寿命的影响而方兴未艾。但是,S-N曲线能否外推(规范要求材料屈服强度小于400MPa)到高强度钢还有待进一步研究,且S-N曲线法不能评估已经产生裂纹的构件的剩余寿命。因此,本文考虑用断裂力学方法评估集装箱船典型节点疲劳寿命。针对集装箱船上受载简单且有现成应力强度因子(SIF)计算经验公式的构件,采用CCS疲劳指南推荐的简化算法计算疲劳载荷谱,针对受力复杂而无现成SIF计算经验公式的舱口角隅,通过直接有限元分析回归出SIF计算经验公式并采用谱分析法计算疲劳载荷谱。主要研究内容如下:(1)介绍课题研究背景及意义,概述集装箱船疲劳评估研究现状,讨论疲劳载荷谱构建方式。(2)介绍CCS《船体结构疲劳强度指南》(2015)推荐的简化算法和ABS疲劳指南推荐的谱分析方法计算疲劳载荷谱,研究了复杂载荷下应力强度因子计算方法及流程,介绍单一曲线裂纹扩展模型和失效评估图技术。(3)研究基于简化算法构造多工况下疲劳载荷谱序列,并将其应用于SIF计算经验公式已知的典型纵向构件疲劳校核中,为了计算和工程应用的方便,针对集装箱船纵向构件编写了功能强大、界面友好的程序。(4)用直接有限元分析方法研究不同浪向和频率下某超大型集装箱船多个舱口角隅的裂纹扩展,在大量计算的基础上分析裂纹扩展规律并回归出统一的SIF计算经验公式,用另一艘集装箱船直接有限元计算的结果验证回归公式的可靠性。(5)分析影响疲劳裂纹扩展寿命的诸多因素,如海浪谱、航速及浪向、初始裂纹尺寸及载荷次序等。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.131;U661.4
【图文】：

区域图,集装箱船,厚板,区域

侧板、舱口围板等厚度并采用高强度钢，见图 1-1，而底部由于是双层底结构，强度和刚度足够，一般不采用高强度钢。目前，普遍认为焊接疲劳强度随板厚的增加而下降[1]，这跟板厚增加导致的材料不均匀性增加息息相关，同时材料的疲劳强度与材料的屈服或抗拉强度并不是线性相关的，即材料的疲劳性能并不能因材料强度的提高而同步提高，有的材料疲劳性能随着材料强度的增加反而降低[12]。因

流程图,裂纹扩展率曲线

纹尺寸由构件的使用要求（如水密构件裂纹不得穿透本文采用 BS7910[69]推荐的失效评估图技术计算临界裂命。力学方法校核超大型集装箱船疲劳寿命的流程图见图疲劳载荷谱序列和复杂节点 SIF 经验公式的回归是本

流程图,疲劳校核,断裂力学方法,流程图

图 2- 2 断裂力学方法疲劳校核流程图Fig.2- 2 Fatigue assessment flow chart by Fracture Mechanics2.2 疲劳载荷2.2.1 等效设计波法就简化算法的具体规定和计算细节而言，各船级社存在着较大的差别。中国船级社（CCS）最新修正（2015）的《船体结构疲劳强度指南》[13]也给出了疲劳载荷的简化计算方法，其本质上是一种基于经验公式的等效设计波法，该方法的主要思想和内容包括：（1）疲劳载荷计算。对于集装箱船，选择均匀满载和正常压载两种载况，由经验公式给出各载况的六种工况在指定超越概率水平下的弯矩。（2）应力分量计算。进行应力分析时，根据集装箱船纵向构件的位置不同，

【参考文献】