1. 研究目的与意义（文献综述）

我国西部资源丰富，煤炭、天然气大多分布在中西部地区，开发潜力巨大。而东部沿海往往是原材料的主要消费地区，这造成了资源分布与社会发展的不平衡格局。统计资料显示，我国有超过 5 万条河流的流域面积大于 100 km，这些河流总长约有43 万 km，其中内河航道长度约有 13.3 万 km，位列世界第一位^[1]。长江是中国的第一大河，其货运量在世界内河中排名第一。这样的一条“黄金水道”从西向东串联广袤的内陆和发达的东部沿海地区，覆盖了超过 1/5 的国土和约 6 亿的人口，其对中国经济的发展有着重要作用^[2]。长江经济带溯江而上，不仅长江经济带溯江而上，不仅深入中国内陆，还可以以内陆各大城市为节点继续向西延伸，联结建设中的丝绸之路经济带；向东，则可通过沿海一线联结正在建设的海上丝绸之路。由此，能够串联国内和国际市场，打造一个东西双向，沿江、沿海、沿边全方位的开放新格局。历史经验告诉我们，向海必兴，背海则衰。随着经济社会的快速发展，长江航运需要进一步释放潜能、提高服务水平。为此我国在第十二个五年计划中对长江黄金水道做出了明确的发展目标。从沿海先行起步、溯内河向纵深腹地梯度发展，是世界经济发展史上的一个重要规律，也是许多发达国家在现代化进程中的共同经历。一般而言，要从海上运送货物到内河的中上游，需中转三次之多，分别是大型海船—中小型海船—内河船^[3]。若通过江海直达船运输，只需中转两次，即大型海船—江海直达船。因为江海直达运输减少了中间环节和货物损耗从而大幅降低运输费用，倍受船东的欢迎，所以该船型越来越受到造船界的关注。由于内河航道的水深限制了江海直达船的吃水，其型深通常要比海船小；另一个限制是河流的曲折迂回，考虑到回转性能，船长不宜过长；为了保证载货量，必须增加船宽。因此，江海直达船剖面呈宽扁肥大型，导致其横剖面的剖面模数减小，强度问题日益突出。江海直达敞口集装箱船是一种适合于江海直达航线的敞口集装箱运输船型，是近些年长江航运力推的船型，具有货舱开口大、无舱口盖、吃水小、装卸灵便、停泊装卸周期短等特征^[4]。不论是船舶在海面航行或各种海洋工程结构物在海上作业，都会经受波浪的作用。不断变化的波浪载荷使结构内部出现不断变化的应力。一艘船舶在服役期内，结构内因波浪作用产生的交变应力循环次数约有 108之多^[5]。疲劳破坏向来被认为是船舶与海洋结构物的一种主要破坏形式。江海直达船是介于江船与海船之间，其对结构的要求高于内河船低于海船。江海直达船舶的结构设计一直没有专门的规范，直到《特定航线江海通航船舶检验指南》（2008）的颁布，使得江海直达船舶有了设计依据。但《指南》对江海直达船舶的航线有特定限制，且结构强度计算部分基本上都是参照海船规范进行计算，其合理性还有待进一步研究。此外，《指南》并未给出江海直达船舶的疲劳强度校核方法。目前国内外对疲劳的研究主要以海洋结构物为模型，而对内河和江海直达船为模型的研究较少，因此对江海直达船进行疲劳研究显得很有必要。

1.2 船舶疲劳强度分析国内外研究现状

引用美国试验与材料协会（astm）中疲劳的定义：“在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹，或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为疲劳^[6]材料在制造过程中因存在着无法避免的缺陷，总会存在微小裂纹，特别是在焊缝处。实际上疲劳破坏是这些微裂纹的扩展和聚合，最后形成宏观裂纹的过程，宏观裂纹的继续扩展以致最后的断裂。一般而言，疲劳破坏过程可分为三个阶段：裂纹的萌生，裂纹的稳定扩展和断裂^[7]。通常疲劳分析方法分为 s-n 曲线法、断裂力学法和与前两种方法相结合的可靠性分析方法^[8~9]。目前，s-n 曲线法在船舶结构疲劳强度分析中得到更加广泛的应用。早在上个世纪六十年代，vedeler^[10]就注意到了疲劳问题，瑞典和挪威的船舶工程师得出这样的结论：对于一般的船舶疲劳破坏比脆断问题更加重要。但是国外研究人员在 70 年代末才开始真正重视疲劳问题。jordan 和 cochran^[11~12]两位学者用了多年时间对当时正在服役的 7 种船型共 86 条船舶构件节点位置进行了详细观察研究，发现了不少的疲劳裂纹。1990 年美国海岸警卫队（uscg）公开发表了他们从 1984 年到 1988年所收集的停靠在 valdez 和 alaska 码头的 69 艘发生破损的油船数据，这些破损不包括碰撞和触礁。数据表明，严重的结构破坏中有超过 80%是由疲劳和断裂造成的。国内从上世纪 90 年代开始重视船舶结构的疲劳破坏问题。在实际应用中，又可以将直接计算法分为谱分析法和设计波法。在直接计算法中，波浪载荷的确定非常重要。在船舶与海洋工程行业中，疲劳谱分析法被认为是精确的。但需要注意的是，若对谱分析法中涉及的多种因素处理不当，计算结果会产生很大偏差。在谱分析方法中需要针对不同频率和浪向角的波浪进行大量的有限元分析以得到应力响应函数。上海交通大学的徐志亭^[13]采用规范法，谱分析法和设计波法三种主流 s-n 曲线法进行疲劳强度计算，并在最后针对小水线面双体船最关键的节点进行了结构优化，以满足疲劳强度的要求。彭营豪，刘见华，王福花^[14]参照相关规范，对三体船典型结构的节点进行疲劳强度分析；通过波浪载荷计算和试验结果分析了三体船的载荷特征。华中科技大学的肖曙明^[15]利用有限元软件对江海通航货船的静强度和疲劳强度进行了分析；采用 ccs 的疲劳强度计算指南选择了两个典型的应力集中部位进行了疲劳强度校核，结果表明舱口角隅处的疲劳强度不能满足，在货船服役期间存在疲劳破坏的可能。

2. 研究的基本内容与方案

1）江海直达船波浪载荷计算研究根据江海直达船航线的特殊性，利用水动力分析软件预报 10-7.5概率水平下的波浪载荷，对江海直达船波浪载荷进行了系统的研究。分析沿海不同海区对其波浪载荷预报值的影响，并将预报值与现有的规范指南计算值进行对比。

2）基于设计波法的整船强度分析

考虑到本船具有敞口货舱、大开口的特点，确定系列设计波浪，对江海直达船进行整船有限元计算，分析整船结构在设计波作用下的变形和应力响应，考察该船的结构设计优劣

3. 研究计划与安排

2.26-3.2 完成开题报告，明确毕业设计内容

3.5-3.16 完成江海直达集装箱船船体结构典型节点抗疲劳设计初步方案

3.19-3.30完成江海直达集装箱船船体结构典型节点抗疲劳设计规范计算书

4. 参考文献（12篇以上）

参考文献 [1] 王前进内河船舶发展的现状及前景分析[j].世界海运，2010,33(10)

[2] 车海刚.建设长江经济带的时空意义[n]. 学习时报，2014-5-12(a1)

[3] 柴俊凯. 江海直达船极限强度研究及结构优化.[d]. 武汉：武汉理工大学，2012．