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基于共同规范的散货船及其结构节点的疲劳强度研究

陈子豪  
【摘要】:船舶在海上航行时,受到波浪力以及惯性力的作用,载荷时刻都在发生变化,因此,船舶结构长期处于交变载荷作用的状态,此时,应力集中的部位会渐渐形成微小的裂纹,并不断扩展,最终造成结构的脆性断裂,这种由交变载荷引起的累积效应造成的损坏就是疲劳破坏。随着船舶不断向大型化发展,由疲劳破坏而导致的事故所占的比例越来越高。因此,研究船舶关键部位结构疲劳强度的校核方法是非常必要的,这对船舶结构设计和安全性保证方面具有一定的指导作用。船舶的疲劳强度主要是指船舶结构节点抵抗交变应力而不产生裂纹或降低其扩展速率的能力。因此提高其疲劳强度主要就是改善结构节点的连接形式,避免产生过大的应力集中。 为了确保航运界市场的公平,海上的安全和环保,国际船级社协会(IACS)于2006年4月发布了《共同规范》,统一了内部散货船和双壳油船的建造标准。其中《共同规范》也提出针对散货船疲劳评估的专门要求。 本文基于《共同规范》中散货船疲劳强度校核的原理和方法进行了相关研究,其主要内容如下: 1)分析和研究疲劳可靠性的各种原理和方法(S-N曲线法和断裂力学法),包括疲劳载荷与疲劳强度的概率模型、疲劳寿命的可靠性预测; 2)研究并理解《散货船结构共同规范》中船舶疲劳评估的计算分析方法,包括舱段有限元建模要求、疲劳细部网格的划分、边界条件、载荷的施加和疲劳寿命的计算等,并与中国船级社的《船体结构疲劳强度指南》进行综合性的比较分析; 3)基于有限元的热点疲劳评估方法,分析研究船舶结构一些热点位置的节点形式,提出改良方案并进行应力云图的比较分析,认为构件之间拥有一平滑光顺几何自由边的构件作为应力的传递媒介,包括软趾、软肘板等,能有效地降低该处的应力水平,从而提高其疲劳寿命。以一艘82000DWT巴拿马散货船作为实船算例,依据《散货船结构共同规范》进行疲劳评估计算与热点应力分析,并与CCS《船体结构疲劳强度指南》的计算结果进行比较分析,研究不同构件连接形式对结构疲劳强度的贡献。


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