CN106951582A - 一种c型独立液货罐y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法 - Google Patents

Abstract

一种C型独立液货罐Y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法，包括计算垂荡动压力P作用下Y型接头处最大主应力S(P)；由S(P)计算出蒸汽压力P₀作用下Y型接头处的最大主应力S(P₀)；计算低周疲劳作用下细网格对应的应力范围ΔS_h,L；计算精细网格的低周疲劳热点应力范围ΔS_D,L；根据所得的ΔS_D,L和S‑N曲线，计算得到低周疲劳损伤D_L；通过累积损伤允许值C_w计算出高周疲劳的累积损伤D_h；结合CCS《船体结构疲劳强度指南》中weibull函数的累积损伤积分公式，推导出C型独立液货罐Y型接头处疲劳评估的筛分准则。应用本发明，可在不增加计算工作量的情况下，判定Y型接头疲劳强度，极大地提高了疲劳设计效率，保证了罐体安全。

Description

一种C型独立液货罐Y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法

技术领域

本发明涉及船舶结构设计领域，尤其涉及一种独立液货罐焊接接头疲劳评估筛分准则的确定方法。

背景技术

对于C型独立液货罐液化气船，其双体、三体罐的Y型接头部位均是疲劳损伤计算的重点考虑部位。CCS《船体结构疲劳强度指南》(下文简称《疲劳强度指南》)详细叙述了船体结构疲劳评估方法，但是对于各个焊接接头位置都按照《疲劳强度指南》计算疲劳损伤，显然是非常繁琐的，而且相当费时。

发明内容

为了克服已有立液货罐接头疲劳评估方式的操作复杂、精确度较低、计算量较大的不足，本发明提供一种简化操作、精确度较高、计量较小的C型独立液货罐Y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种C型独立液货罐Y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法，包括以下步骤：

步骤S1：计算出10^-8概率下的垂荡动压力P作用下Y型接头处最大主应力；

步骤S2：假定罐体处于弹性状态，压力和应力成比例，计算出蒸汽压力P₀作用下Y型接头处的最大主应力S(P₀)；

步骤S3：假定空载时罐体载荷为零，因此接头处应力为零，得低周疲劳的细网格对应的应力范围ΔS_h,L；

步骤S4：假定接头处精细网格应力/细网格应力为k，不计平均应力对应力设计范围的影响，推得推得精细网格的低周疲劳热点应力范围ΔS_D,L；

步骤S5：根据所得的ΔS_D,L和S-N曲线，计算得到低周疲劳损伤D_L，

步骤S6：通过累积损伤允许值C_w计算出高周疲劳的累积损伤D_h；

步骤S7：由weibull函数的累积损伤积分公式和步骤S6中计算所得的D_h，并设定Haibach效应系数μ_k，推出疲劳筛分准则。

进一步，所述步骤S2中，根据下述公式得到蒸汽压力P₀作用下Y型接头处的最大主应力S(P₀)：

即：

其中P垂荡工况下的总压力，P₀为蒸汽压力，

S(P)为压力P作用下Y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力，取自罐体Y型接头有限元细网格计算结果，S(P₀)为压力P₀作用下Y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力。

再进一步，所述步骤S3中，根据下述公式处理得到低周疲劳的细网格对应的应力范围ΔS_h,L：

所述步骤S4中，根据下述公式处理得到精细网格的低周疲劳热点应力范围ΔS_D,L：

其中f_t为板厚修正系数，按下式计算：

f_t＝1.0 当t≤22时；

当t＞22时。

所述步骤S5中，根据下述公式求得低周疲劳损伤D_L：

其中，N_T为设计寿命期间内装卸货总次数，如N_T小于1000，则取1000。

所述步骤S6中，根据下述公式求得算出高周疲劳的累积损伤D_h：

其中，C_w为疲劳累积损伤允许值。

所述步骤S7中，根据下述公式处理得到疲劳筛分准则：

其中，

N_D为船舶在20年营运期间的载荷循环次数，取0.65×10⁸；N_L为载荷谱回复周期的循环次数，取为100；ΔS_D为高周热点应力范围上限；α_k为载工况“k”的时间分配系数，此处取为0.45；ζ_k为weibull形状参数，取1.0；m为S-N曲线反斜率，取为3；K为S-N曲线中D曲线参数,取1.52×10¹²；Γ(x)为完全GAMMA函数值。

所述步骤S6中，满足下述疲劳筛分准则，即不需要进行疲劳评估：

其中：ΔP为10^-8概率的垂荡动压力变化范围；C_w为液货罐疲劳累积损伤允许值；f_t为板厚修正系数；P为总压力；S(P)为压力P作用 下Y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力，取自罐体Y型接头有限元细网格计算结果；N_T为设计寿命期间内装卸货总次数；P₀为蒸汽压力。

本发明的技术构思为：本发明针对C型独立液货罐的特点，依照CCS《疲劳设计指南》，在适当的假设下，推导了液货罐Y型接头处疲劳评估的筛分准则。

本发明的有益效果主要表现在：可以简便和精确的筛分出小于损伤容许值的位置，能有效地筛分出不需要进行疲劳评估的C型独立液货罐Y型接头，避免了繁杂的疲劳计算过程，减少了计算量。

附图说明

图1是双耳罐Y型接头有限元模型的示意图。

图2是三耳罐Y型接头有限元模型的示意图。

图3是敏度分析曲线，其中，(a)为ΔP-k曲线；(b)为ΔP-μ_k曲线。

图4是一种C型独立液货罐Y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种C型独立液货罐Y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法，包括以下步骤：

步骤S1：计算出10^-8概率下的垂荡动压力P作用下Y型接头处最大主应力；

步骤S2：假定罐体处于弹性状态，压力和应力成比例，计算出蒸汽压力P₀作用下Y型接头处的最大主应力S(P₀)；

步骤S3：假定空载时罐体载荷为零，因此接头处应力为零，得 低周疲劳的细网格对应的应力范围ΔS_h,L；

步骤S4：假定接头处精细网格应力/细网格应力为k(k＝1.2：1，注：实际为1.0～1.1，此处偏保守地取1.2)和不计平均应力对应力设计范围的影响，推得推得精细网格的低周疲劳热点应力范围ΔS_D,L；

步骤S5：根据所得的ΔS_D,L和S-N曲线，计算得到低周疲劳损伤D_L，

步骤S6：通过累积损伤允许值C_w计算出高周疲劳的累积损伤D_h；

步骤S7：由weibull函数的累积损伤积分公式和步骤S6中计算所得的D_h，并假定μ_k＝0.7(注：实船计算表明，μ_k＜0.5)，推出疲劳筛分准则。

进一步，所述步骤S2中，根据下述公式得到蒸汽压力P₀作用下Y型接头处的最大主应力S(P₀)：

即：

其中P垂荡工况下的总压力，P₀为蒸汽压力，

S(P)为压力P作用下Y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力，取自罐体Y型接头有限元细网格计算结果，S(P₀)为压力P₀作用下Y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力。

再进一步，所述步骤S3中，根据下述公式处理得到低周疲劳的细网格对应的应力范围ΔS_h,L：

所述步骤S4中，根据下述公式处理得到精细网格的低周疲劳热 点应力范围ΔS_D,L：

其中f_t为板厚修正系数，按下式计算：

f_t＝1.0 当t≤22时；

当t＞22时。

所述步骤S5中，根据下述公式求得低周疲劳损伤D_L：

其中，N_T为设计寿命期间内装卸货总次数，如N_T小于1000，则取1000。

所述步骤S6中，根据下述公式求得算出高周疲劳的累积损伤D_h：

其中，C_w为疲劳累积损伤允许值。

所述步骤S7中，根据下述公式处理得到疲劳筛分准则：

其中，

N_D为船舶在20年营运期间的载荷循环次数，取0.65×10⁸；N_L为载荷谱回复周期的循环次数，取为100；ΔS_D为高周热点应力范围上限；α_k为载工况“k”的时间分配系数，此处取为0.45；ζ_k为weibull形状参数，取1.0；m为S-N曲线反斜率，取为3；K为S-N曲线中D曲线参数,取1.52×10¹²；Γ(x)为完全GAMMA函数值。

所述步骤S6中，满足下述疲劳筛分准则，即不需要进行疲劳评估：

其中：ΔP为10^-8概率的垂荡动压力变化范围；C_w为液货罐疲劳累积损伤允许值；f_t为板厚修正系数；P为总压力；S(P)为压力P作用下Y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力，取自罐体Y型接头有限元细网格计算结果；N_T为设计寿命期间内装卸货总次数；P₀为蒸汽压力。

应用本发明进行了两种C型独立液货罐Y型接头的疲劳筛分(如图1、图2)：

①以某双耳罐Y型接头的有限元模型如图1所示，材料使用X8Ni9钢材，板厚t＝16mm，所以板厚修正系数f_t＝1.0，压力P作用下Y型接头最大主应力S(P)＝665MPa，疲劳评估点如图1所示，在该点处的垂荡压力P＝0.45MPa，蒸汽压力P₀＝0.35MPa，设计寿命期间内装卸货总次数N_T＝1000，液货罐疲劳累积损伤允许值C_w＝0.5，对应10^-8概率的Y型接头处垂荡压力范围ΔP＝0.07MPa，

按照本发明，对于双耳罐运用疲劳筛分准则：

满足疲劳筛分准则所以不需要进行详细的疲劳评估。

②以某三耳罐Y型接头的有限元模型如图2所示，材料使用X8Ni9钢材，板厚t＝19mm，所以板厚修正系数f_t＝1.0，压力P作用下Y型接头处最大主应力S(P)＝593MPa，疲劳评估点如图2所示，在该点处的垂荡压力P＝0.49MPa，蒸汽压力P₀＝0.35MPa，设计寿命期间内装卸货总次数N_T＝1000，液货罐疲劳累积损伤允许值D_S＝0.5，对应10^-8概率的Y型接头处垂荡压力范围ΔP＝0.10MPa。

按照本发明，对于三耳罐运用疲劳筛分准则得：

满足疲劳筛分准则所以不需要进行详细的疲劳评估。

通过实际的疲劳计算结果(如表1所示)可知：双耳罐的累积疲劳损伤D＝0.07，三耳罐的D＝0.05，两者的累积损伤均小于0.5，不会发生疲劳破坏。证明本文提出的疲劳筛分准则是可行的。

表1 D值计算

对筛分准则作如下处理：

(1)保持变量μ_k＝0.7不变，取网格系数k为变量，得到图3a所示的关于ΔP和变量k的曲线图。

(2)保持网格系数k＝1.2不变，取变量μ_k为变量，得到图3b所示的关于ΔP和变量μ_k的曲线图。

由图3可见，网格系数k对敏度影响较大，变量μ_k对敏度影响较小。

就两罐和三罐实例，采用筛分原则和精确的疲劳损伤方法的计算结果与许用值得比值。结果表明筛分方法具有较高的精度。

假定条件如下：

①罐体处于弹性状态，压力和应力成比例；

②空载时罐体载荷为零，因此接头处应力为零；

③接头处精细网格应力/细网格应力＝1.2：1.即k＝1.2；(注：实际为1.0～1.1，此处偏保守地取1.2)

④μ_k＝0.7(注：实船计算表明，μ_k＜0.5)；

⑤不计平均应力对应力设计范围的影响。

推导过程如下：

由假设①，按弹性等比原则得，

即：

其中P——总压力，MPa；

P₀——蒸汽压力，MPa；

S(P)——压力P作用下Y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力，

取自罐体Y型接头有限元细网格计算结果MPa；

S(P₀)——压力P₀作用下Y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力，MPa；

结合假设②，得低周疲劳的细网格对应的应力范围ΔS_h,L：

结合假设③和⑤，推得精细网格的低周疲劳热点应力范围ΔS_D,L

其中f_t——板厚修正系数，按下式计算：

f_t＝1.0 当t≤22时；

当t＞22时；

由S-N曲线得低周疲劳损伤：

其中N_T——设计寿命期间内装卸货总次数，如N_T小于1000，则取1000.

令疲劳累积损伤允许值为C_w，高周疲劳的累积损伤D_h为：

由weibull函数的累积损伤积分公式得：

其中:N_D——船舶在20年营运期间的载荷循环次数，取0.65×10⁸；

N_L——载荷谱回复周期的循环次数，取为100；

ΔS_D——高周热点应力范围上限；

α_k——装载工况“k”的时间分配系数，此处取为0.45；

ζ_k——weibull形状参数，取1.0；

m——S-N曲线反斜率，取为3；

K——S-N曲线中D曲线参数,取1.52×10¹²；

——完全GAMMA函数值。取6。

由假定④，μ_k＝0.7

得：

以上是针对精细网格，由假设③和⑤，得动压力产生的细网格的最大应力范围：

再由弹性等比原则得：

即：

由于ΔS_h是对应10^-2概率，对于10^-8概率的垂荡动压力变化范围ΔP：

式中：

C_w——液货罐疲劳累积损伤允许值，按IGC规则，可达处取0.5；不可达处取0.1；

ΔP_h——10^-2概率的垂荡动压力变化范围；

ΔP——10^-8概率的垂荡动压力变化范围，按下式计算：

对于双体罐：

对于三体罐：

式中：α_z——z方向的无因次加速度；

R——液货罐单罐的半径，mm；

ρ——液货密度，kg/m³；

z——疲劳计算点的z坐标；

θ——底罐与顶罐圆心连线之间的夹角，弧度。

注：如果式(1)小于零，表明Y型接头可能发生低周疲劳，需要进行详细的疲劳评估。

Claims (8)

1.一种C型独立液货罐Y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：计算出10^-8概率下的垂荡动压力P作用下Y型接头处最大主应力；

步骤S2：假定罐体处于弹性状态，压力和应力成比例，计算出蒸汽压力P₀作用下Y型接头处的最大主应力S(P₀)；

步骤S3：假定空载时罐体载荷为零，因此接头处应力为零，得低周疲劳的细网格对应的应力范围ΔS_h,L；

步骤S4：假定接头处精细网格应力/细网格应力为k，不计平均应力对应力设计范围的影响，推得推得精细网格的低周疲劳热点应力范围ΔS_D,L；

步骤S5：根据所得的ΔS_D,L和S-N曲线，计算得到低周疲劳损伤D_L，

步骤S6：通过累积损伤允许值C_w计算出高周疲劳的累积损伤D_h；

步骤S7：由weibull函数的累积损伤积分公式和步骤S6中计算所得的D_h，并设定Haibach效应系数μ_k，推出疲劳筛分准则。

2.如权利要求1所述的一种C型独立液货罐Y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法，其特征在于：所述步骤S2中，根据下述公式得到蒸汽压力P₀作用下Y型接头处的最大主应力S(P₀)：

即：

其中P垂荡工况下的总压力，P₀为蒸汽压力，

S(P)为压力P作用下Y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力，取自罐体Y型接头有限元细网格计算结果，S(P₀)为压力P₀作用下Y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力。

3.如权利要求1或2所述的一种C型独立液货罐Y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法，其特征在于：所述步骤S3中，根据下述公式处理得到低周疲劳的细网格对应的应力范围ΔS_h,L：

${\mathrm{\ΔS}}_{h,L}=S\left(P_0\right)-0=\frac{P_0}{P}\·S\left(P\right).$

4.如权利要求3所述的一种C型独立液货罐Y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法，其特征在于：所述步骤S4中，根据下述公式处理得到精细网格的低周疲劳热点应力范围ΔS_D,L：

${\mathrm{\ΔS}}_{D,L}=f_t{\mathrm{k\ΔS}}_{h,L}=\frac{1.2P_0}{P}\·f_{t}S\left(P\right)$

其中f_t为板厚修正系数，按下式计算：

f_t＝1.0 当t≤22时；

当t＞22时。

5.如权利要求1或2所述的一种C型独立液货罐Y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法，其特征在于：所述步骤S5中，根据下述公式求得低周疲劳损伤D_L：

$D_L=\frac{N_T}{N}=\frac{{\[1.2P_0{f}_{t}S\left(P\right)\]}^3{N}_T}{1.52\×{10}^{12}{P}^3}$

其中，N_T为设计寿命期间内装卸货总次数，如N_T小于1000，则取1000。

6.如权利要求1或2所述的一种C型独立液货罐Y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法，其特征在于：所述步骤S6中，根据下述公式求得算出高周疲劳的累积损伤D_h：

$D_h=C_w-D_L=C_w-\frac{{\[1.2P_0{f}_{t}S\left(P\right)\]}^3{N}_T}{1.52\×{10}^{12}{P}^3}$

其中，C_w为疲劳累积损伤允许值。

7.如权利要求1或2所述的一种C型独立液货罐Y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法，其特征在于：所述步骤S7中，根据下述公式处理得到疲劳筛分准则：

$D_h=\frac{N_D{\mathrm{\α}}_k}{K}\frac{{\left({\mathrm{\ΔS}}_D\right)}^m}{{\left({\mathrm{lnN}}_L\right)}^{m/{\mathrm{\ζ}}_k}}{\mathrm{\μ}}_k\mathrm{\Γ}(1+\frac{m}{{\mathrm{\ζ}}_k})$

其中，

N_D为船舶在20年营运期间的载荷循环次数；N_L为载荷谱回复周期的循环次数；ΔS_D为高周热点应力范围上限；α_k为载工况“k”的时间分配系数，此处取为0.45；ζ_k为weibull形状参数，取1.0；m为S-N曲线反斜率；K为S-N曲线中D曲线参数；Γ(x)为完全GAMMA函数值。

8.如权利要求6所述的一种C型独立液货罐Y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法，其特征在于：所述步骤S6中，满足下述疲劳筛分准则，即不需要进行疲劳评估：

$\mathrm{\Δ}P\≤\frac{1}{27}\·\sqrt[3]{8.8\×{10}^{11}{C}_w{\[\frac{P}{f_{t}S\left(P\right)}\]}^3-N_T{P}_0^3}MPa$

其中：ΔP为10^-8概率的垂荡动压力变化范围；C_w为液货罐疲劳累积损伤允许值；f_t为板厚修正系数；P为总压力；S(P)为压力P作用下Y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力，取自罐体Y型接头有限元细网格计算结果；N_T为设计寿命期间内装卸货总次数；P₀为蒸汽压力。