CN112597592A - 宽扁肥大型江海直达船疲劳损伤精细化评估方法 - Google Patents

宽扁肥大型江海直达船疲劳损伤精细化评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种宽扁肥大型江海直达船疲劳损伤精细化评估方法，包括以下操作步骤：S1、将载荷简化为不同载荷历程比下的大小两级交变载荷；S2、将载荷简化为不同频率比、幅值比的高低频叠加载荷；S3：采用对数正态分布模型，根据极大似然法原理和江海直达船典型节点疲劳试验数据，确定江海直达船典型节点S‑N曲线；S4：评估不同航线下江海直达船典型节点的疲劳损伤；S5：考虑江海直达船载荷历程中由于波激振动和砰击颤振所带来的高频载荷分量，引入非线性载荷耦合损伤因子，考虑高低频叠加载荷的疲劳耦合损伤。本发明可为江海直达船抗疲劳设计及结构轻量化设计提供有力支撑的宽扁肥大型江海直达船船体的疲劳损伤评估方法。

Description

宽扁肥大型江海直达船疲劳损伤精细化评估方法
技术领域
本发明涉及船疲劳损伤精细化评估方法，更具体地说，涉及一种宽扁肥大型江海直达船疲劳损伤精细化评估方法。
背景技术
新型江海直达集装箱船具有超宽扁船型的特点，其船体载荷，结构型式，应力集中位置都会有所改变，较大的宽度型深比导致船体垂向刚度小，在海段航行过程中较易遭受波激振动和砰击颤振所带来的非线性高频载荷分量的影响，同时船舶往复航行于江段和海段，始终处于海段高幅值载荷和江段低幅值载荷的交替作用，这些对江海直达船的疲劳累计损伤都会产生显著影响。
传统的江海直达船的结构设计往往参考海船的规范，主要是针对海船的航线特点和载荷特征，而对于江海直达船这种具有特殊航线(载荷)特征和宽扁肥大船体的船型，其疲劳强度评估还没有针对性的规范，忽略了江-海段载荷交互作用和高低频载荷叠加导致的耦合损伤。这种方法虽然能够保证船体的安全性，但由于其安全裕度过大，结构过于臃肿，其经济性较低，不能适应新环境下的绿色船舶经济性的要求和国家发展长江黄金水道的需求。在开发新型江海直达船的同时，需要与之对应的符合该船型特点和特定航线特点的疲劳评估方法。因此，十分有必要开展一种适用于宽扁肥大型江海直达船疲劳损伤精细化评估方法研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种能精细化评估宽扁肥大型江海直达船船体结构的疲劳损伤，可为江海直达船抗疲劳设计及结构轻量化设计提供有力支撑的宽扁肥大型江海直达船船体的疲劳损伤评估方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种宽扁肥大型江海直达船疲劳损伤精细化评估方法，包括以下操作步骤：
S1、根据江海直达船的航线特点将载荷简化为不同载荷历程比下的大小两级交变载荷；
S2、根据江海直达船的载荷特点，将载荷简化为不同频率比、幅值比的高低频叠加载荷；
S3：以海船规范中的S-N曲线为基础，S-N曲线为应力-寿命曲线，采用对数正态分布模型，根据极大似然法原理江海直达船典型节点疲劳试验数据，确定江海直达船典型节点S-N曲线；
S4：引入航线特征影响因子θrs考虑江段小载荷和海段大载荷交互作用的影响，评估不同航线下江海直达船典型节点的疲劳损伤；
S5：考虑江海直达船载荷历程中由于波激振动和砰击颤振所带来的高频载荷分量，引入非线性载荷耦合损伤因子，考虑高低频叠加载荷的疲劳耦合损伤。
按上述方案，在步骤S3中，假设节点对数疲劳寿命的均值如下：lg N＝lg Ap-mlgS，N为断裂前的疲劳寿命，S为疲劳载荷应力幅值，lg Ap为存活率p下对应的lg A，A和S为S-N曲线中与材料、应力比、加载方式有关的参数，对于任意一个数据点lg Ni均服从正态分布，各个lg Ni数据点相互之间独立，Ni为第i个试件疲劳寿命。
按上述方案，在步骤S4中，航线特征影响因子θrs的计算公式如下：
Figure BDA0002860462100000021
其中：Drs为基于雨流计数法的大-小载荷交互作用造成的疲劳累积损伤。
按上述方案，在步骤S5中，非线性载荷耦合损伤因子Dnji,c的计算公式如下：
Figure BDA0002860462100000031
其中，Dnji,c为第n个装载工况、第j各海况及第i个浪向角下应力历程中的耦合损伤值，α为高低频叠加载荷的幅值比，λ为高低频叠加载荷的频率比，η为基于雨流计数法的高频载荷累积损伤占总损伤的比值，c/w为无量纲裂纹表征参数；
按上述方案，在高频载荷累积损伤占总损伤比值η<0.0345的时域载荷历程中，不考虑载荷间耦合损伤的影响即Dnji,c＝0，采用简化的外包络线恒幅载荷形式替代高低频叠加载荷进行疲劳损伤评估。
实施本发明的宽扁肥大型江海直达船疲劳损伤精细化评估方法，具有以下有益效果：
本发明结合宽扁肥大型江海直达船航线特点和载荷特点，提出了一套适用于宽扁肥大型江海直达船船体的疲劳损伤评估方法，该方法通过分别引入“航线影响因子”和“非线性载荷耦合损伤因子”等参量，合理表征了江海直达船江-海段载荷交互作用和高低频载荷叠加导致的耦合损伤对船体结构疲劳性能的影响，能精细化评估宽扁肥大型江海直达船船体结构的疲劳损伤，可为江海直达船抗疲劳设计及结构轻量化设计提供有力支撑。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明宽扁肥大型江海直达船疲劳损伤精细化评估方法流程图；
图2是两级交变载荷示意图；
图3是高低频叠加载荷示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-3所示，本发明的宽扁肥大型江海直达船疲劳损伤精细化评估方法包括以下操作步骤：
S1、根据江海直达船往复航行于江段和海段的航线特点将载荷简化为不同载荷历程比下的大小两级交变载荷。
S2、根据江海直达船在海段航行过程中容易受到波激振动、砰击颤振的影响，在载荷历程中含有非线性高频载荷分量的载荷特点，将载荷简化为不同频率比、幅值比的高低频叠加载荷。
S3、以海船规范中的S-N曲线为基础，确定江海直达船典型节点S-N曲线。采用对数正态分布模型，假设节点对数疲劳寿命的均值如下：lg N＝lg Ap-mlg S，对于任意一个数据点lg Ni均服从正态分布，各个lg Ni数据点相互之间独立，其联合概率密度函数(似然函数)为：
Figure BDA0002860462100000041
σlg N为lg N的标准差，Ni为第i个试件疲劳寿命，Si为第i个试件应力幅值，n为试件个数。根据极大似然法原理，参数lg A和m的取值应使L值最大，即式中指数平方和部分最小。根据规范中的建议值斜率m为3，对于一定的应力范围，
Figure BDA0002860462100000042
根据结构部件在存活概率为97.7％时对应的标准正态偏量μp，对于试件i采用定斜率方法求得对应的lg Ai，从而计算得到lg A的标准差σlg A。
代入上式得S-N曲线：
Figure BDA0002860462100000043
根据江海直达船典型节点疲劳试验数据，计算出存活概率为97.7％的S-N曲线。
S4、引入航线特征影响因子θrs考虑江段小载荷和海段大载荷交互作用的影响，评估不同航线下江海直达船典型节点的疲劳强度。在航段i下装载工况k时，
Figure BDA0002860462100000051
式中：
Dik为航段i下装载工况k时的疲劳累计损伤；
δi为航段历程分配系数；
ND为江海直达船服役期遭遇的总循环次数；
αK为装载工况k时对应的时间分配系数；
K为S-N曲线参数；
SD(ik)为航段i下装载工况k时计算的设计应力范围，N/mm2；
NL为当超越概率为10-2时相对的载荷谱回复周期循环次数，取102；
ξ为Weibull形状参数，取1；
Γ(x)为完全GAMMA函数值，
Figure BDA0002860462100000052
μk为考虑S-N曲线负斜率变化的修正系数，跟服役环境有关。
载荷交互作用因子θrs计算公式如下：
Figure BDA0002860462100000053
Dnl为大-小载荷交互作用造成的疲劳累积损伤，不同航段(江段或海段)的装载工况下的大-小载荷交互作用造成的疲劳累积损伤不同。
S5、考虑江海直达船载荷历程中由于波激振动和砰击颤振所带来的高频载荷分量，引入非线性载荷耦合损伤因子Dnji,c考虑高低频叠加载荷的疲劳耦合损伤。
基于雨流计数法对载荷历程的时域响应进行计数统计，分别获得各装载工况、海况和浪向角下的应力范围Sw,k以及对应的循环次数nnji(Sw,k)，结合S-N曲线和线性累积损伤理论，获得校核点处记及耦合损伤影响的疲劳累积损伤度Dtotal,t。
Figure BDA0002860462100000061
式中：
dnji,t为单位时间内第n个装载工况、第j各海况及第i个浪向角的疲劳损伤值；
nnji(St,k)为第n个装载工况、第j各海况及第i个浪向角条件下第k个应力范围St,k的循环次数；
N(St,k)为在S-N曲线中与St,k对应的疲劳失效循环次数；
tnji,t为应力波频分量的样本拟合时间；
pnji为第n个装载工况、第j各海况及第i个浪向角的发生概率。
Figure BDA0002860462100000062
式中Dnji,c为第n个装载工况、第j各海况及第i个浪向角下应力历程中的耦合损伤值，α为载荷历程内的幅值比，λ为载荷历程内的频率比，η为小载荷损伤占总损伤的比值，c/w为无量纲裂纹表征参数。
在高频载荷累积损伤占总损伤比值η<0.0345的时域载荷历程中，不考虑载荷间耦合损伤的影响，即Dnji,c＝0，采用简化的外包络线恒幅载荷形式替代高低频叠加载荷进行疲劳损伤评估。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种宽扁肥大型江海直达船疲劳损伤精细化评估方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
S1、根据江海直达船的航线特点将载荷简化为不同载荷历程比下的大小两级交变载荷；
S2、根据江海直达船的载荷特点，将载荷简化为不同频率比、幅值比的高低频叠加载荷；
S3：以海船规范中的S-N曲线为基础，S-N曲线为应力-寿命曲线，采用对数正态分布模型，根据极大似然法原理和江海直达船典型节点疲劳试验数据，确定江海直达船典型节点S-N曲线；
S4：引入航线特征影响因子θrs考虑江段小载荷和海段大载荷交互作用的影响，评估不同航线下江海直达船典型节点的疲劳损伤；
S5：考虑江海直达船载荷历程中由于波激振动和砰击颤振所带来的高频载荷分量，引入非线性载荷耦合损伤因子，考虑高低频叠加载荷的疲劳耦合损伤。
2.根据权利要求1所述的宽扁肥大型江海直达船疲劳损伤精细化评估方法，其特征在于，在步骤S3中，假设节点对数疲劳寿命的均值如下：lgN＝lgAp-mlgS，N为断裂前的疲劳寿命，S为疲劳载荷应力幅值，lgAp为存活率p下对应的lgA，A和S为S-N曲线中与材料、应力比、加载方式有关的参数，对于任意一个数据点lgNi均服从正态分布，各个lgNi数据点相互之间独立，Ni为第i个试件疲劳寿命。
3.根据权利要求1所述的宽扁肥大型江海直达船疲劳损伤精细化评估方法，其特征在于，在步骤S4中，航线特征影响因子θrs的计算公式如下：
Figure FDA0002860462090000011
其中：Drs为基于雨流计数法的大-小载荷交互作用造成的疲劳累积损伤。
4.根据权利要求1所述的宽扁肥大型江海直达船疲劳损伤精细化评估方法，其特征在于，在步骤S5中，非线性载荷耦合损伤因子Dnji,c的计算公式如下：
Figure FDA0002860462090000021
其中，Dnji,c为第n个装载工况、第j各海况及第i个浪向角下应力历程中的耦合损伤值，α为高低频叠加载荷的幅值比，λ为高低频叠加载荷的频率比，η为基于雨流计数法的高频载荷累积损伤占总损伤的比值，c/w为无量纲裂纹表征参数。
5.根据权利要求4所述的宽扁肥大型江海直达船疲劳损伤精细化评估方法，其特征在于，在高频载荷累积损伤占总损伤比值η<0.0345的时域载荷历程中，不考虑载荷间耦合损伤的影响即Dnji,c＝0，采用简化的外包络线恒幅载荷形式替代高低频叠加载荷进行疲劳损伤评估。
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