舰船大风浪中纵向强度标准应用

应荣熔，王 骁，王菲菲，石爱国

(1.海军大连舰艇学院航海系，辽宁大连116018;2.东北财经大学图书馆，辽宁大连116018)

0 引言

舰体结构在波浪中整体弯曲 (总纵弯曲、横向弯曲)或扭转破坏，是船舶结构整体破坏的主要形式。舰船则由于船体细长，加上出于抗沉性的需要，横向舱壁较密，因而其整体强度以总纵强度为主，很少考虑横向强度和扭转强度。基于此，计算舰体在风浪中的强度横准时，仅计算舰体总纵强度。同时，船舶在波浪中航行时，一直受到波浪力及船舶运动产生的惯性力作用，这些是不断变化的动负荷，会引起船舶结构内部的交变应力，造成疲劳损伤。海损事故分析表明，疲劳破坏是船体结构另一重要破坏形式。为此，在强度计算中，还应包括对舰船服役以来累计损伤度D的估计，以利于正确计算舰船的强度。

1 总纵强度衡准数计算

1.1 计算舰船中横剖面所受外力矩

舰船中横剖面所受外力矩有静浮力矩［1］、兴波弯矩及波浪弯矩［2］，3种力矩的计算方法如下:

1)静浮弯矩

式中:Cb为方形系数;L为船长;B为船宽。

2)兴波弯矩

式中:mx为X方向质量;CW为水线面面积系数。

3)波浪弯矩

波浪平均截零周期［3］可按下式计算:

无因次截零周期计算方法为

表1 系数值表Tab.1 Coefficient numerical

4)总外力矩

舰船中纵剖面所受的总外力矩［1］为

式中:M为总外力矩;Mf为静浮力矩;Mx为兴波弯矩;MW为波浪弯矩。

1.2 计算舰船中横剖面所能承受的极限弯矩

计算公式为

式中:σmax为合成许用应力;W'0为考虑锈蚀度的剖面模数，用下式计算:

1.3 计算总纵强度横准数

按照下式计算总纵强度横准数［4］:

2 疲劳强度的累积损伤度计算

2.1 计算风浪作用于船体产生的应力范围Si

1)计算舰船非规则波中的中横剖面诱导弯矩

2)计算考虑锈蚀度的剖面模数采用式(9)计算

3)计算中横剖面所受应力

由中横剖面受到的力矩和剖面模数可以计算中横剖面受到的交变应力［5］

2.2 确定S-N曲线

S-N曲线如图1所示，表示某一类结构节点所承受交变应力范围与应变循环次数的关系。节点的选择，考虑到系纵骨 (船底、舷侧、甲板及内壳)与横向强框架的连接部位 (见图2)，本文选用F2曲线［6］。

根据F2曲线及Si(σi)值可得4种波高对应的极限次数值Ni，或者通过下式计算Ni值:

式中:m为S-N曲线斜率，取值为3。

k取值见表2。

表2 S-N曲线k值取值表Tab.2 S-N bought k short-cut process

2.3 计算每一浪高对应的实际循环次数值ni

式中:ki为舰船在某一浪高下的航行天数;T0取1 min。

2.4 计算疲劳累计率D

3 计算流程

计算流程如图3所示。

图3 计算流程图Fig.3 Computation flow graph

4 计算仿真

4.1 仿真计算内容

1)舰船中横剖面所受外力矩 (包括静浮力矩、兴波弯矩及波浪弯矩);

2)舰船中横剖面所受极限力矩;

3)总纵强度横准数;

4)中横剖面所受交变应力及所能承受的交变应力极限次数;

5)所受交变应力实际次数;

6)疲劳累计率。

4.2 仿真计算输入

1)环境参数

2)从舰船最近的《船体锈蚀报告》中摘取:

①平板龙骨 腐耗量

②船底板 腐耗量

③船侧板 腐耗量

④上甲板边板 腐耗量

⑤上甲板 腐耗量

据此推算出船中剖面模数年腐耗百分数为0.65。

3)航行经历

①在航年数10年;

②年均:中浪 (浪高1.25～2.5 m)航行天数80 d;大浪 (浪高2.5～4.0 m)航行天数30 d;巨浪 (浪高4.0～6.0 m)航行天数20 d;狂浪 (浪高＞6.0 m)航行天数5 d。

4.3 仿真计算输出

1)中横剖面外力矩

静浮力矩:

2)舰船中横剖面所受极限力矩

3)总纵强度横准数

4)中横剖面所受交变应力及所能承受的交变应力极限次数

②剖面模数

选用图2中的F2曲线得所承受的各交变应力次数分别为:N1=1 110 435，N2=404 677，N3=190 403，N4=80 326。

5)所受交变应力实际次数

由公式ni=ki×24×3 600/T0，可得所受交变应力实际次数分别为:n1=172 800，n2=86 400，n3=43 200，n4=21 600。

6)疲劳累计率

5 结语

本文所采用的船舶大风浪航行纵向强度标准采用2个横准数进行评价，即总纵强度横准数和疲劳累计率。为紧急情况下估算舰船的纵向总强度提供了既有一定精度又简单易行的方法，仿真计算精度达到一般工程要求，为船舶大风浪航行风险评估提供了可靠的计算基础。

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