船体典型结构节点抗疲劳设计

船体典型结构节点抗疲劳设计

吴金耘

舟山长宏国际船舶修造有限公司 浙江舟山 316131

摘要：随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，利用抗疲劳设计优化方法对油船、散货船和集装箱船的典型结构节点进行分析，梳理若干典型节点的抗疲劳设计标准。部分典型结构节点如舱口角隅等的抗疲劳设计标准可作为疲劳校核的等效方法。在设计时，通过疲劳强度计算改进结构详细节点的设计，以保证船体构件的疲劳寿命能满足要求。

关键词：疲劳评估；典型节点；舱口角隅；等效设计

引言

近几年来，我国船舶建造领域发展迅速，相关检验标准不断完善。在船舶船体建造检验过程中，由业主、船厂及专业检验机构共同完成船舶船体的检验工作。具体检验内容较为复杂，需要在船舶船体建造的全过程中，及时开展相关检验工作，并做好分析和记录，及时纠正问题，确保船舶建造质量。在实际操作过程中，由于检验内容多，容易出现疏漏，应通过采用检验节点控制方法，促进船舶船体检验的规范化和程序化发展。

1船舶船体建造科学设计合理布局

作为大型工业产品，建造船舶的过程比较繁琐，对建造使用的工艺提出较高要求，在进行船舶设计的过程中，要对其进行合理的布局，因为在建造船舶的过程中，要确定出所建造的方向，然后开始进行船舶建造工作，每个阶段的生产工作已经做好分工，各个环节都明确了任务，船体建设成型后就不能进行调整和改变，假如在设计的过程时，没有按照要求进行设计，设计出的方案不合理，就会使得经济出现严重的损失，因此，要对设计的过程给予足够的重视。首先，在建造船舶之前，要进行规范设计，对设计的方案要明确。其次，设计师要确保设计出的方案和图纸有可行性，建造船舶的图纸在设计出来后，要将其交给船舶检验单位，进行图纸的审查和检验，图纸通过检验后才能开工，并且图纸还要由设计方、建造方和委托方进行检查，对其可行性进行讨论，这样建造出的船舶能够满足使用的要求。此外，图纸符合实际的建造要求之后，造船厂要对规划和布局进行合理安排，将施工用到的人员和设备等进行有效配置，并且还要对施工的场地进行合理的勘察，要对建造使用的资金进行合理的预算，在建造过程中，要确保使用的材料符合质量的要求；在施工过程中，要对施工的各个阶段进行科学的规划，按照规定的工程进度进行施工，这样就可以使得船舶建造工作顺利地展开。

2疲劳试验数据处理方法

构件的疲劳强度是指其抵抗疲劳破坏的能力，在工程和船级社规范中通常采用应力范围S和应力循环次数N的关系来表示构件的疲劳强度。S与N的关系是通过对构件进行疲劳模型试验得到的。在疲劳试验过程中，由于制作试件的材料存在分散性，试件的尺寸、焊接的工艺、焊缝的形状与尺寸、焊材的成分也存在不确定性，同时疲劳试验设备、试验环境、操作者的不同都会对试件的疲劳寿命产生一定程度影响，要想在这些随机的分散的试验数据中找出必然性和规律性，必须采用概率和统计的方法。对于给定的应力范围S，构件的疲劳寿命N是1个随机变量。为了得到N的分布规律，需要把某一应力水平下的1组疲劳试验数据看成N的一个字样，对疲劳试验数据进行统计分析，可以得到字样的概率分布及统计特征值，根据字样的统计结果可以推断出母体的分布形式，并对母体分布的参数进行统计，最终得到S－N曲线的表达式。S－N曲线通常分为中值S－N曲线和P－S－N曲线，曲线的拟合方式通常采用线性拟合和极大似然法拟合。中值S－N曲线通常是通过成组的疲劳试验数据得到的。取若干个应力水平，每个应力水平下进行1组试件的疲劳试验，对每组试件的疲劳寿命进行统计可得出其中值疲劳寿命，拟合中值疲劳寿命的数据就可以得到中值S－N曲线，S－N曲线的表达式通常写为NSm=A，对公式的两边取对数，得到lgN=lgA－mlgS。在lgN－lgS坐标系中，它为1条直线。中值S－N曲线中，有一半试件的寿命将会低于按S－N曲线所得计算值，过早破坏的概率达到了50%，这在工程上是不被允许的。因此规范中给出的S－N曲线都为P－S－N曲线，p为存活率，即构件实际的疲劳寿命大于按P－S－N曲线所得计算值的概率为p，在船舶与海洋工程中，通常取p=97.72%，使构件过早破坏的概率降低到可以接受的水平。

3节点设计标准

3.1舱口角隅的规范描述性疲劳要求

对于通用船舶（含散货船等）和集装箱船（包括其他大开口船舶）的舱口角隅，《钢质海船入级规范》（以下简称“钢规”）分别给出了角隅处甲板的补强方式，并分别对角隅半径、嵌入板板厚和布置细节等作出了详细规定。这些描述性要求与ＨＣＳＲ或其他船级社规范基本一致，属于舱口角隅的抗疲劳设计标准。此外，ＨＣＳＲ还明确指出：对于船长在１５０ｍ以上的船舶，舱口角隅半径、嵌入板的厚度和范围可由屈服、屈曲和疲劳强度评估决定，即舱口角隅的规范描述性疲劳要求可由包括疲劳强度评估在内的直接计算方法代替。对此观点，笔者部分认同。一方面，抗疲劳设计的描述性要求来源于长期经验积累，可对舱口角隅的结构安全性进行有效控制，因此满足此描述性要求的舱口角隅应明确可免除包含屈服、屈曲和疲劳在内的直接计算校核，在这一点上笔者与ＨＣＳＲ的观点是一致的；另一方面，舱口角隅加强嵌入板作为整体的板格，能避免在舱口角隅高应力区出现对接焊缝，可有效提高结构的疲劳强度，这一点在直接计算中无法体现。另外，角隅半径尺寸较小，在直接计算中同样很难做到精确校核。基于上述分析，笔者认为只有嵌入板的厚度可通过直接计算来确定，其余应满足描述性要求。“钢规”中有关舱口角隅的描述性要求进一步明确了嵌入板的延伸范围（其中：Ｒ为舱口角隅半径；ｅ应不小于７６０ｍｍ，且对于纵骨架式应不小于１个纵骨间距），并增加“当嵌入板厚度不能满足上述要求时，应采用包括屈服、屈曲及疲劳在内的直接计算方法予以验证”的规范要求；该修改明确了舱口角隅节点设计标准在规范中的应用，减轻了设计时对于舱口角隅疲劳校核计算的工作量，同时有助于实现舱口角隅的多样化设计，满足不同船型的优化需求。

3.2焊接质量检验

在焊接质量检查过程中，首先要检查焊接材料和焊接设备，确保焊接整体质量能够满足设计要求。对于船舶船体的所有焊缝，首先要对其焊接外观进行检查。在焊接施工过程中，应对焊接操作进行现场监督，确保焊接施工人员能够严格按照焊接要求进行施工。如果检验人员发现焊接质量问题，应及时申请专业检验机构对焊缝质量进行进一步检查，明确问题焊缝位置和探伤范围。检查过程中使用的检测仪器要定期进行维护，确保其检测精度符合要求。完成检查后，及时填写检测报告，对其进行备案，为船体焊接施工质量提供保障。

3.3加强工艺监督和检验

要对船舶船体关键部位的角焊缝高度进行严格的控制，在焊接完成后，要对角焊缝高度逐一地进行检测，这样可以使得焊缝的焊接工作面足够大，满足强度要求。在使用低氢焊条时，要对其进行控制，使用低氢焊条时，很容易出现飞溅现象，这样会对焊接面的平整度和光滑度产生影响，残留材料会使得船体的局部质量得到增加，导致船体表面产生不均匀的应力。因此，检验人员要对其的使用进行有效的控制，以确保船体的总体强度和局部强度达到标，并且在进行焊接的时候，要选择符合实际要求的技巧进行焊接。船体焊接这项工作比较繁琐，但是这项工作也是建造船舶的关键工艺，对船体的不同部位要用不同的工艺进行焊接，且不同的型材也要使用不同的工艺进行焊接。

3.4倾斜、系泊及航行试验

船舶倾斜试验主要是为了确定船舶重心，并对船舶稳定性进行校核。在倾斜试验结果满足相关法规、规范要求，并进行系泊试验合格后，方可进行航行试验。系泊和航行试验应在业主、船厂和专业检验机构均在场的情况下进行，根据通过批准的试验检测大纲进行操作，确保检测结果的可靠性。主要对船舶和机电相关设备进行系泊试验和航行试验，详细记录试验过程，从系泊和航行的试验情况，判断其各项指标是否能够满足实际要求。应测试船舶在各种可能出现的工况下的性能指标，与设计要求进行比对，确保船舶的实际使用效果能够满足业主要求。

3.5船舶外板刨缝检验

船舶整体强度及焊接缝成型情况受到船舶船体外板刨缝质量的影响，在进行建造时，要对船舶船体外板刨缝进行严格的检查，并加大这种检查力度，检查工作应从以下方面进行：①在检查刨缝之前，船体框架、外板、甲板和其他部件应作为开口半圆形处理，并用作焊接孔，将船体完整度进行提高。②严格检查刨缝深度，以确保其能够达到清渣标准，如果有些部分不符合标准，应使用砂轮进行抛光。

3.6船体密性试验检测

船体焊接质量通过检查后，应将船体各临时开口进行密封，安装密性构件，然后进行船体密性试验检测。在检测过程中，试验人员应根据相关检测标准，把握好检测流程，对每一个环节的操作准确性进行保证。特别是对于容易漏水的焊缝等部分进行密性实验，首先要保证检测区域的干燥性，然后进行压水或充气试验，将相连接舱室进行分隔处理，以便更好的找到漏水点位置。在检测过程中，发现缺陷要及时补救，并按照上述测试方法，对其进行再次检测，确保船体密性能够符合要求。

3.7严格规范船舶开孔标准

在船舶上钻孔时，要按照国家船舶标准化技术委员会的有关技术标准进行，对孔的位置进行合理的设计，并且要合理地控制孔的数量和大小，钻孔应该按设计图纸进行，如果在实际施工中需要对其进行调整，必须论证和分析调整的合理性和科学性，要对水孔的开度给予重视，进行严格的检查。设置时应根据船舶吨位、排水量等因素进行确定，这些量不宜过大，也不宜过小，这样做是为了避免船体出现堵塞的情况，同时也增大船体的承载能力。此外，不能将甲板纵向桁架索孔和强横梁设置的过高，并且还一定要设置补偿板，从而避免船体出现缺陷。

结语

通过对船体典型结构节点抗疲劳设计进行研究，得到以下结论：（１）疲劳计算方法包括简化方法和直接计算法，直接计算法对复杂节点的疲劳校核对人力、时间及技术等有较高的要求，而简化计算方法工作量相对较小。对于规范未强制要求采用直接计算法的节点，可根据疲劳评估的规范描述性方法进行设计。（２）疲劳关键节点应选择在动载荷和构件应力较大以及应力集中比较严重的位置进行校核，如中部区域纵骨、船体横向构件的趾端处和舱口角隅等。（３）利用抗疲劳设计优化方法并结合共同结构规范和实船经验对油船、散货船等船舶典型结构节点进行分析，得出若干典型节点的抗疲劳设计标准，在具体设计时可参照这些设计标准。（４）在规范中疲劳描述性要求对舱口角隅疲劳校核有明确的规定，可减小在设计时对舱口角隅疲劳计算的工作量，同时有助于实现舱口角隅的多样化设计，满足不同船型的优化需求。

参考文献

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