沪东中华造船集团上海江南长兴造船有限责任公司 201913
摘要：本文将对船体结构疲劳强度评估方式进行分析，并详细探讨断裂力学在船舶结构疲劳评估中的运用，希望可以为相关工作者的研究提供一些帮助。
关键词：断裂力学；船舶；疲劳评估
前言：进入新时代后，船体结构的疲劳破坏得到了人们的广泛重视。虽然各国在S—N曲线利用的基础上建立了一些规范，但仍存在各种问题。因此，必须了解船体结构疲劳强度的评估方式，并探究断裂力学在疲劳评估中的运用，提高评估的质量与水平，从而促进我国船舶业进一步发展。
一、船体结构疲劳强度评估方式
船体结构疲劳寿命估算比较复杂，疲劳寿命就是在循环载荷条件下，材料出现疲劳破坏需要的应变或者是循环次数[1]。目前，S—N曲线法与断裂力学法是两种常用的研究方法。
（一）S—N曲线方法
S—N曲线方法是以大量应力与应变试验为基础的，并通过mN=C这一公式在对数坐标系中得到材料S—N曲线，其中，m与C都是和材料相关的常数。人们长期积累下来的与疲劳校核相关的公式、经验大部分都是关于这种方法的，并且因为这一方法相对简单，所以其在各船级社中得到了广泛运用。在实际船体结构寿命评估过程中，这一曲线还要修正材料尺寸效应与加工效应，古德曼修正是常用修正方法，即△/2=-1（1-m/h）。
（二）断裂力学方法
断裂力学是一种新型结构疲劳寿命分析方法，依照船体结构中裂纹生长阶段，这种方法可以有效评估船体结构的寿命。通常情况下，若构件中存在裂纹状缺陷，则能够运用断裂力学法对缺陷行为进行评判。这种方法可以将断裂—安全，合与使用概念更好体现出来，并且还能够为破坏事故原因与安全等分析提供帮助。
二、断裂力学在船舶结构疲劳评估中的运用
（一）船舶结构裂纹类型
结合断裂力学理论，可以以存在位置与几何形貌为依据把船舶结构裂纹划分成三种类型，即表面裂纹、深埋裂纹以及穿透裂纹。一般情况下，表面裂纹呈现半椭圆状，主要是在船舶结构表面出现，其中部分和结构件宽度相比深度较小的裂纹也被归为表面裂纹。深埋裂纹则在船舶结构件内部出现，这种裂纹在结构件表面并没有任何痕迹，通常深埋裂纹呈椭圆片状或圆片状。相较于表面裂纹与深埋裂纹，穿透裂纹尺寸更大，并且会贯穿整个结构。同时，若裂纹的贯穿厚度超过结构件厚度一半，那么这种裂纹也被划作穿透裂纹。曲线型与直线型是常见的穿透裂纹形状。
（二）应力强度因子求解方式
应力强度因子求解方式主要有两种，一种是面积质心积分法。权函数能够以公式形式表示出来，而通过有限元模型可以提取出应力分布函数（x），并且这一函数和裂纹位置、形式存在一定关系。形式较为简单节点的应力分布函数与权函数属于单调线性，并且x变化后其也会发生变化，权函数曲线下面积和应力函数乘积形式可以将应力强度因子表现出来，即K=Sx（x）。而形式较为复杂节点的受力也十分复杂，应力函数分布还存在非线性的可能性，并且对应权函数也极可能是非线性的。本文把裂纹扩展区间划分成n个子区间，这时，在这些子区间中，就可以近似认为应力函数呈线性分布，得出i（x）=Ai·x+Bi （xi-1≤x≤xi）这一公式，其中，Ai=，Bi=i（xi）-Aixi。将其带入权函数的求解公式中可以得到K=（Aix+Bi）·m（x，a）dx，而通过应力强度因子公式可得K=，其中Si是指权函数m（x，a）曲线面积，Xi则是对应坐标。由此可以看出，在裂纹扩展区间中，权函数是连续、光滑的，因此可以通过程序编制的方式计算首个Si*。在子区间中，可以近似认为裂纹参数不变，那么依照裂纹具体参数与形式能够获得m（x*，a），则Si*=1/2[（xi）+（xi-1）]·（xi-xi-1），Xi*=xi-，最终应力强度因子的求解公式为K=Si*×m（Xi*，a）。
（三）有限元仿真
以断裂力学与应力强度因子为基础，在相关软件中建构船舶结构有限元仿真，其主要步骤如下：第一，建立起裂纹结构的几何模型，然后把这一模型导进Ansys软件中，并合理设置类型与单位；第二，依照待分析材料对求解器进行合理选择，本文研究选取的是NASTRAN求解器；第三，建立有限元模型；第四，将模型提交并完成分析、运算，Ansys软件有着非常广的分析领域，能够对动力学、屈曲以及静力等问题进行分析与求解；第五，完成数据结果后处理，并通过模态图方式将其显示出来[2]。
结论：综上所述，加强断裂力学在船舶结构疲劳评估中的运用具有重要意义。因此，必须掌握S—N曲线与断裂力学两种评估方式，并通过有限元模型的建立，实现船舶结构的应力与应变仿真，提高评估的精准性，延长船舶使用寿命，从而为我国船舶业健康发展提供保障。
参考文献：
[1]叶保善.船舶结构疲劳强度评估方法研究[J].珠江水运,2017(17):87-88.
[2]牛松,任慧龙,冯国庆.基于裂纹扩展理论的船体结构疲劳评估[J].船舶力学,2015,19(08):958-965.
论文作者:施华杰,樊恒飞,张亮
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/12
标签：裂纹论文; 结构论文; 应力论文; 疲劳论文; 船舶论文; 力学论文; 船体论文; 《防护工程》2018年第36期论文;