摘 要

本文以某江海直达集装箱船为研究对象，开展集装箱船船体结构疲劳强度计算和分析工作。文章首先介绍了疲劳的基本概念，然后对CCS《船体结构疲劳强度指南》中疲劳计算方法进行说明。接下来通过舱段总纵强度直接计算，并结合《船体结构疲劳强度指南》中对疲劳校核位置的规定，分析确定了船体疲劳校核部位，紧接着在原来的舱段有限元模型上通过粗细网格过渡的方法对典型节点进行疲劳评估。最后讨论了影响船体疲劳强度的因素及改善疲劳性能的措施，并给出江海直达集装箱船典型结构抗疲劳节点的设计形式。

关键词：集装箱船；疲劳强度；直接计算；粗细网格；典型节点；设计建议

Abstract

Taking a river sea container ship as the research object, this paper calculates and analyses its structural fatigue strength. The article firstly introduces the basic concept of fatigue, and then illustrates fatigue assessment method guiding with the "Guide of Ship Structures Fatigue Strength" of CCS. Next through direct calculation of longitudinal strength of cabin, and combining with the fatigue check position pointing out in the Guide of Ship Structures Fatigue Strength, the fatigue check position of this ship is determined, followed by the fatigue assessment of typical joints using the method for transition of coarse and fine grid based on the original part-cabin finite element model. Finally, factors affecting fatigue strength of ship hull are discussed and some suggestions are given to improve fatigue strength, then proposing the design form of typical anti-fatigue joints.

Key Words: container ship；fatigue strength；direct calculation；coarse and fine grid；design suggestions

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状分析 1

1.3 论文主要工作简介 3

第2章 疲劳的基本概念 5

2.1疲劳的定义 5

2.2 疲劳破坏的特点 5

2.3船体疲劳强度计算和分析方法 5

第3章 CCS《指南》(2007)疲劳评估方法 7

3.1 概述 7

3.2疲劳校核位置 7

3.3 热点应力法的疲劳载荷和工况 7

3.4 热点应力法的应力范围计算 8

3.4.1最大主应力的计算 8

3.4.2热点应力插值 9

3.5 应力范围合成 9

3.5.1 总体应力范围 9

3.5.2 局部应力范围 10

3.5.3 参考应力范围的计算 11

3.6 疲劳累积损伤的计算 11

3.6.1设计S-N曲线的选取 11

3.6.2 Weibull形状参数的选取 12

3.6.3许用应力范围 13

3.6.4累积损伤度计算 13

3.7 本章小结 14

第4章 船体强度直接计算与分析 15

4.1 概述 15

4.2船型说明 15

4.2.1主尺度和主要参数 15

4.2.2结构形式 15

4.3舱段总纵强度分析模型 16

4.3.1 概述 16

4.3.2模型范围及坐标系 17

4.3.3结构的有限元模型化及划分 17

4.3.4材料参数 18

4.3.5边界条件 18

4.4计算工况和载荷 18

4.4.1垂向弯矩 18

4.4.2波浪扭矩和货物扭矩 20

4.4.3舷外水压力 21

4.4.4货物载荷 24

4.4.5液舱内液体压力 25

4.5有限元模型计算结果 25

4.6 总结与分析 31

第5章 船体结构疲劳强度计算与校核 32

5.1疲劳强度计算模型 32

5.1.1概述 32

5.1.2结构模型化 32

5.1.3网格细化要求 32

5.1.4腐蚀余量计算 35

5.1.5边界条件 36

5.2计算工况 37

5.3疲劳载荷 37

5.3.1波浪弯矩 37

5.3.2波浪扭矩和货物扭矩 38

5.3.3垂向波浪弯矩范围 38

5.3.4水平波浪弯矩范围 38

5.3.5扭矩范围 38

5.3.6货物压力范围 38

5.3.7外部水动压力范围 39

5.3.8内部货物动压力范围 41

5.3.9舱内液货压力范围 45

5.4疲劳校核位置的许用应力范围 49

5.5热点应力结果及疲劳强度评估 50

5.5.1舱口角隅自由边 50

5.5.2舱口角隅角焊缝 62

5.5.3纵骨穿舱节点 68

5.6 本章小结 72

第6章 船体结构抗疲劳设计探讨 73

6.1 影响疲劳强度的因素 73

6.2抗疲劳设计建议 74

6.3典型节点抗疲劳设计 74

6.3.1船底纵骨与肋板垂直加强筋的连接 74

6.3.2 采用偏移加强筋 75

6.3.3底边舱横隔板防倾肘板与船底纵骨的连接 75

6.3.4 肋板处旁桁材与内底板的连接 76

6.3.5 货舱区域舱口角隅处的甲板板 76

第7章 结论与展望 77

7.1 结论 77

7.2 研究展望 77

参考文献 78

致谢 80

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

近年以来，江海直达的运输方式凭借着减少了中间的部分环节，可以消除了货物的损耗，大大增加了运输的效率，大幅度的降低了运输的成本而得到快速的发展。国家政府对其发展特别重视，如2013 年7月，在上海召开的（长三角内河集装箱运输发展合作联席机制筹备会）会议标志着长江三角洲的内河集装箱的运输发展的联动合作机制的正式启动，江海直达运输将迎来蓬勃的发展；在2014 年9月，国务院发布了一份文件——《关于依托黄金水道推动长江经济带发展的指导意见》，明确的提出了将发展江海直达的船型作为如今增强长江的干线上运输能力的一项重要的任务^[1]。如2015年2月，有关专家由全国政协经济委员会组织的对长江三角地区的水运的发展、尤其是集装箱江海联运的有关问题开展了专项的调研 ；在2015 年6月，交通运输部的水运局通过组织部署相关单位，就长江三角洲地区及长江干线的集装箱等的江海联运及直达运输的现状开展了专项的调研，表明了长江集装箱的江海联运的发展在政府的层面正在有序的推进^[2]。江海直达集装箱船的发展将迎来如火如荼的发展。

目前来说，对于江海直达集装箱船的疲劳问题研究尚少，本文以某江海直达集装箱船为研究对象，依据 CCS《指南》对其关键部位结构进行疲劳强度分析，深入理解疲劳理论知识和计算方法，对本文研究对象的结构安全提出指导性建议，给出江海直达集装箱船抗疲劳设计建议，同时结合规范给出节点设计方案。

以上研究以规范对疲劳强度规定较多，除此之外，近几年Wolfgang Fricke 以6种典型的焊根为例讨论了焊根处疲劳评估方法的选用原则，为实际应用带来方便^[23]。Wolf- gang Fricke和Friedrich N等对受到高应力循环的腹板角隅的低周疲劳问题进行了试验研究和数值分析，并根据产生的疲劳裂纹特征提出了适用的切口应力方法来评估这类节点的疲劳寿命^[24]。Yan-Hui Zhang 和 S.J. Maddox 验证了Palmgren-Miner 的线性累积损伤准则，在不同的平均应力下的载荷谱对于疲劳强度寿命影响的正确性，并指出对于变幅值载荷谱Miner准则忽略加载次序的不足^[25]。

在国内已有许多学者对船体疲劳的问题开展了一些研究工作。如詹志鹄、夏洪禄^[26]的基于CCS的在《船体结构疲劳强度指南》（2001 版）中提出的方法，即用名义应力来计算船体结构疲劳强度的方法，提出了一种用热点应力方法来对船体纵向构件进行评估。王东海和戴仰山等人^[27]提出了评估船舶的结构强度疲劳寿命的两种分布的格式，即对数形式分布格式和Weibull分布格式，并且对这两种的分布格式的区别以及对疲劳可靠性分析的影响作出了比较分析。韩芸，黄小平等人^[28]对大型船舶的结构强度的低周疲劳的问题进行了分析，进一步的分析了现有的S-N曲线的外推到低寿命区的可行性，并且比较了通过外推得到的，低寿命区段的曲线以及经过试验的验证的低周疲劳寿命曲线的不同。杜嘉立、杨盐生、郑云峰^[29]对累积损伤中的S-N曲线，以及Weibull形状参数的对损伤度D的影响。崔灿，冯国庆等^[30]给出了确定设计波载荷的基本流程和疲劳累计损伤组合计算的方法。

1.3 论文主要工作简介

1. 搜集、阅读有关集装箱船船体结构疲劳强度的相关资料，明确选题意义，了解船体疲劳强度计算和分析方法，完成船体结构疲劳强度研究进展综述。

图1.1 疲劳寿命的评估流程