（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）浮式生产储油轮全船结构疲劳校核与研究.pdf

摘要 浮式生产储油轮全船结构疲劳校核与研究 ：= = - ，一 摘要 1 船舶结构疲劳是导致海损事故的重要原因之一，在设计阶段对全船结构进行 系统的疲劳强度校核是一个比较困难的工作，国际上始于1 9 9 4 年，国内迄今为 止未见一例。浮式生产储油轮( f p s o ) 由于其特殊的结构和工作特点，疲劳强 、 度要求比普通航行船只商。本文以国内一艘在建f p s o 为对象，运用现代疲劳强 度理论与方法，对全船结构进行了系统的疲劳强度校核，对各种典型结构热点的 疲劳校核方法、途径进行了实践、研究和讨论。 7 对f p s o 进行全船疲劳校核的工作包括五个部分：波浪诱导载荷和运动的长 期预报；船体纵骨节点疲劳校核；船体主要不连续构件节点疲劳校核；火炬塔结 构疲劳校核和船艏结构疲劳校核。波浪诱导载荷和运动的长期预报是f p s o 疲劳 校核的基础工作，在f p s o 工作海域的波浪散布图和船体三维湿表面模型的基础 上，运用三维绕射理论进行波浪诱导载荷和运动的统计预报。在此基础上，对选 定的f p s o 校核区域进行了详细的疲劳强度校核。通过经验公式和有限元分析， 运用应力插值和应力组合方法，采用疲劳累积损伤公式计算出f p s o 的纵骨、主 要不连续构件、船艏结构和火炬塔四类区域中校核点的疲劳寿命，并逐一介绍了 ，。7 这四类区域承受疲劳载荷作用、抵抗疲劳损伤的特点、适用的校核方法和途径。) 关键词：浮式生产储油轮，结构疲劳，波浪诱黾载荷长期预报，热点应力 摘要 a b s t r a c t f a t i g u ee r a c k sa n df a t i g u ed a m a g e sa r ei m p o r t a n tr e a s o n sc a u s i n gc a t a s t r o p h i c a c c i d e n ti ns e a t h e r ew a sn om a n d a t o r yr e q u i r e m e n to ns y s t e m a t i cf a t i g u ea n a l y s i s d u r i n g t h ed e s i g ns t a g eo f an e ws h i pb e f o r e1 9 9 4f o rt h ed i f f i c u l t yi nd o i n gs o ，a n dn o p r e c e d e n to ff a t i g u ea n a l y s i sf o ra w h o l e s h i ph a s b e e ns e e ni nc h i n au n t i ln o w d u et o s p e c i a l t i e s o fs t r u c t u r ea n dw o r k i n gc o n d i t i o n ah i g l a e i f a t i g u el i f co ff p s oi sr e q u i r e d t h a nt h a to fn o r m a ln a v i g a t i o n a ls h i p w i t ht h ea p p l i c a t i o no fm o d e mt h e o r i e sa n d m e t h o d so ff a t i g u es t r e n g t h ，s y s t e m a t i cf a t i g u ea n a l y s i so nt h es t r u c t u r eo faw h o l e f p s oi sc a r r i e do u t ，a n dt h ef a t i g u ea n a l y s i sm e t h o d o l o g yf o rv a r i e t yo ft y p i c a lh o t s p o t si sp r a c t i c e d ，s t u d i e da n d d i s c u s s e d f a t i g u ea n a l y s i so nf p s oc o n t a i n s f i v e p a r t s ：l o n g t e r mp r e d i c t i o no fw a v e i n d u c e dl o a d sa n dm o t i o n ；f a t i g u ea n a l y s i so fi o n g i t u d i n a l s ；f a t i g u e a n a l y s i s o f d i s c o n t i n u o u ss t r u c t u r eo fs h i ph u l l ；f a t i g u ea n a l y s i so ff l a r et o w e ri o i n t sa n df a t i g u e a n a l y s i so fb o ws t r u c t u r e l o n g t e r mp r e d i c t i o no f w a v e i n d u c e dl o a d sa n dm o t i o ni s t h ef o u n d a t i o n0ff a t i g u ea n a l y s i s ，an di ti sp r e d i c t e do nth eba s i so f wa v es c a t t e r s p e c t r u m 3 - dp a n e lm o d e la n dd i f f r a c t i o n r a d i a t i o nt h e o r y f a t i g u el i v e so f s e l e c t e d c h e c k i n gp l a c e sa r ec a 【c u l a t e di nd e t a i lw i m t h ea p p l i c a t i o no f e e m o d e l p r i n c i p a l s t r e s s e x t r a p o l a t i o n ，p r i n c i p a l s t r e s s c o m b i n a t i o n ，a n df o r m u l a so ff a t i g u ed a m a g e a c c u m u l a t i o n f u r t h e r m o r e ，c h a r a c t e r so ff a t i g u er e s i s t a n c eo fc h e c k i n gp l a c e sa n d a p p r o p r i a t ea p p r o a c h e sa r ea l s op r e s e n t e d i nt h e p a p e r k e y w o r d s ：f p s o ，s t r u c t u r a lf a t i g u e ，l o n g - t e r mp r e d i c t i o no f w a v e i n d u c e dl o a d a n dm o t i o n ，h o t s p o ts t r e s s 绪论 随着结构疲劳损伤导致的海损事故的时有发生，船体疲劳现象在近年来越来越受到普遍 的重视和研究。结构复杂的大型船舶的分析计算和实践经验证明结构设计的成功与否与结构 节点性能有直接关系。结构节点处裂纹的产生和扩展可能造成船舶的整体结构( 如货舱) 完 整性破坏，从而导致昂贵的修理成本和由于停航而造成船舶营运收入的损失，甚至造成人身 生命和财产的损失。因此为了提高船舶结构安全性并减少维修成本，在设计阶段必须采用有 效的分析方法，使船舶在整个营运服役期内的疲劳性能达到要求。 但是船体疲劳现象的分析与计算是一项非常复杂且计算量巨大的工作，在船舶设计阶段 就对结构进行疲劳寿命预报校核，只是在计算机和相应的应用软件不断发展的条件下才逐渐 实现的。目前世界上一些主要的船级社已经在大量实验和研究的基础上，提出了典型构件连 接形式的应力集中系数、广泛适用于疲劳校核的s - n 曲线和疲劳累积损伤计算公式，从而 可以在船舶设计阶段进行结构疲劳校核。设计阶段疲劳校核的目的是确保承受交变载荷的船 舶结构有足够的疲劳寿命，并给结构设计提供详细的数据( 钢材的选择、结构尺寸的确定和 局部细节的设计) 。国际上，设计中系统地进行疲劳校核始于1 9 9 4 年，因而是很新地设计概 念，国内至今未见一例系统的设计阶段的疲劳分析。 在对深海海域和浅海边际油田的开发中，原油的存储和运输一般采用铺设海底管线或浮 式生产系统储油轮( f p s 0 _ _ 一f 1 0 a 缸gp r o d u c t i o na n ds t o r a g ea n do f f l o a d i n g ) 。通常情况f ， 采用浮式生产系统( f p s o ) 较铺设海底管线更具经济效益，因此f p s o 的设计和相关的研 究工作，成为目前海洋石油技术发展的热点之一。在我国沿海石油开发生产活动中，f p s o 占有重要的地位。 由于f p s o 自身的结构特点和其特殊的工作状态。使得f p s o 的结构疲劳校核与一般 的船舶结构疲劳校核相比有其特殊性。主要表现在疲劳校核区域较多、疲劳寿命的高要求等。 本文是国内在建的一艘2 0 万吨级f p s o 设计阶段结构疲劳校核的总结性文章，系统完 整地介绍了f p s o 结构疲劳校核的过程。校核主要包括五个部分：第一部分是疲劳校核的波 浪诱导载荷和运动的长期统计预报；第二部分是f p s o 船体纵骨结构疲劳校核；第三部分是 f p s o 主要不连续构件疲劳校核；第四部分是火炬塔结构疲劳校核；第五部分是f p s o 船艏 结构疲劳校核。作者实际参与了前三部分的工作，并主要负责进行了第四部分和第五部分的 工作，并融入了一定的创新研究。 本文介绍了f p s o 疲劳分析的基本内容、方法和过程，包括f p s o 疲劳校核区域的确定， 波浪诱导载荷和运动长期统计预报，主要校核部位的疲劳计算原理、方法和过程。 波浪诱导载荷与运动的统计预报是f p s o 疲劳校核的基础工作，疲劳校核中所使用的各 种载荷都是通过波浪统计预报得出的，波浪诱导载荷与运动统计预报工作的正确对f p s o 疲 劳校核非常重要。在f p s o 工作海域的波浪散布图和船体三维湿表面模型的基础上，运用三 维绕射理论进行波浪诱导载荷与运动统计预报。预报的内容包括船体弯矩、水动压力和加速 度。 在波浪诱导载荷与运动统计预报的基础上，本文对f p s o 的疲劳校核过程做了详细的 介绍。包括疲劳校核所依据的主要理论m i n e r 线性损伤累积理论，计算中使用的s - n 曲 线，应力插值方法，应力组合过程，疲劳累积损伤计算公式，疲劳寿命求解公式等。利用以 上疲劳校核方法，文中对f p s o 的纵骨、主要不连续构件、船艏结构和火炬塔四类校核区域 进行了疲劳校核，逐一介绍了这四类区域结构承受疲劳载荷作用、抵抗疲劳损伤的特点。 第章船舶结构疲劳脱象的圳究和发艘现状 第一章船舶结构疲劳现象的研究和发展现状 1 1 概述 航行在沽瀚的人海中的| f 舶，戏是住海洋中作业的海洋4 i 油平台等各种海洋结构物， 都不町避免地要承受波浪对结构的交变力作j l j ，这种交变力的作川使结构内部产生的交变应 力。若一艘船舶的服徵 l l 】达到2 0 年以上，那么结构内冈波浪作) - t j 引起的交变虑力的循环次 数可以达剑1 0 s 之多。这必然会造成结构的疲劳损伤，使之成为船舶结构的主要破坏形式之 一，对丁人型船舶剃使州高强度钢材的船舶，疲劳问题显得尤为突山。在殴计中保i 止结构有 足够的疲劳强度，对船舶结构的安全性是十分重要的。 近年米，由r 结 ：j 疲劳损伤导致的海损事故时有发生，全t 界各主要造船国、各国船 舶检验单位、设计单位干t h = 界主要船级社对船, l a ；f l f 海洋结构的疲劳损伤现象越发重视，j i ：投 入巨人的人力物力对结构疲劳进行了深入的研究，包括对疲劳现象的理论研究和人量的实验 i 作 ”。 理论方面，主要是随机疲劳累积损伤理论的不断发展；实际1 ：拌方面，住k 划的研究 基础上，船舶及海洋1 剃领域的研究人员已经建立了可供实际应_ l j 的疲劳设计利分析方法： 一种是s - n 曲线法，可以川不同廊力水平r 对应的循环次数预测疲劳强度：另种方法是 利川裂纹扩展方胖得到裂纹随时问变化的函数，通过计算临界裂纹尺度i u 现时间米预测疲劳 强度l 。在f ：程实践中，主要使用的是前一种方法，人”k 删积累的有关疲劳校核的经验公 式人郜也是针对这种方法，由丁其相对简单，已为箨船级礼作为规范采川。 虽然近一：十年以来对疲劳现象的研究不断深入，但是在船舶与海洋结构物晌实际建造 中，疲劳校核所依据的方法、经验公式平s n 曲线却只是在近些年才得刮完葶，而住殴计 阶段就对全船进行疲劳校核分析是在1 9 9 4 年才完辂地提出。经过k 删的研究开发，英国竹 氏船级社丁1 9 9 4 年首先公布了“s h i p r i g h t 疲劳设计评f 占方法” 5 1 ( 简称s h i p r i g h tf d a ) ， 目的住丁提高船舶结牛句安全性爿：减少维修成本，采取有效的分析、检布硐i 监控手段，使船舶 任糕个运营删问内的疲劳性能达剑要求。这是一个包括多种水平的疲劳设计评估方法，与建 造监控及船体状态监控一起保让可椎的疲劳性能。在劳氏船级社止式发而is h i p r i g h tf d a 方法后，已经对船长人r1 9 0 米的一百多艘油船雨f 敞货船实施了强制疲0 7 校核。证明了该方 法对丁预报船舶结构1 ，点疲劳寿命、对r 建造过程中建造质耸的有效监控以及糕个船舶延营 j 圳问保证船舶具有可靠的疲劳强度，从而保i l e 船舶的安全性都是有效的。 此后，t 【i = 界其他菥名的船级社也相继在规范中对疲劳强度捉山了要求或编制了有关疲 劳强度的指导性文什，并公布了_ 【 j 丁船舶汞! 海洋平台的疲7 校核规范和府h j 判序。例如挪威 船级社公布的n a u t i c sh u l l 疲劳校核戍川软仆平相应的规范1 1 【2 j 【2 ”。本文的全船疲j 7 校 核就利川了n a u t i c sh u l l 软, f l ： l l t o j l l 威船级社的疲劳规范方法。中国船级社出住1 9 9 9 年 编写了船体绌构疲劳强度指南 i o l 。国际j f 级社协会( i a c s ) 还专fj 成立了特段i ：作组， 旨在建立一个统一的疲劳强度评估流程。 疲劳强度从本质上 兑足一个岗部强度问题，需要针对结构细m 尤其是焊接点进行校 核。由1 ：船体中有数茸众多不同类玳的，点，1 ，点所受的载荷极其复杂，冈此疲劳强度饺核 是一个十分复杂的问题。迄今为f l ，在国内还没有住设计阶段就对全船结构进行牡船疲疗校 核的先例，本文是在设计阶段对f p s o 进行全船疲劳校核的总结性文章，全面介引如何对 f p s o 进行全船的疲劳校核1 作。 2 笫一章船舶结构疲劳现象的研究年n 发腱现状 1 2 随机疲劳累积损伤理论研究 由丁疲劳破土1 ；是船舶与海洋i 。栏等结构的最主要火效形式之，所以随机疲劳累积损 伤理论的建立年发展具有十分重人的意义。在近儿十年内，关丁随机疲劳累积损伤的重要理 论有许多，这里仅介纠应t l i j 最广泛的m i n e r 线性疲劳累积损伤原理【”。 最r 泛采h j 的疲劳累积损伤准则就是m i n e r 准则 v n t ：1 o n j m i n e r 将p a l m g r e n 提出的疲劳损伤累积与应力循环次数成线性关系这一假发公式化， 并给山了力学前提，即认为在某等幅疲* 应力s j 作_ l jr ( 对应的笛幅疲劳寿命为n j ) ，住 每一应力循环里，材料吸收的净功u 相等，当这些被材料吸收的净功达到临界值w 时， 疲劳破坏发生，即 国1 wn ( 1 2 ) 在变幅应力s 。，s ：，s 。作j l f p ，各应力水平的等幅寿命为n ，实际循环数为n ，产生的 净功为w ，当 = w 时疲劳破坏发生，有 ( 1 3 ) 劳2 斋2 4 ， m i n e r 准则的内函是： ( 1 ) 任意等幅疲劳载荷f ，材料在每一应力循环里吸收等姑净功。净功累积剑临界值，疲 劳破坏发生； ( 2 ) 不同等幅及变幅疲劳加载f ，材料最终破坏的临界净功全部相等； ( 3 ) 变幅疲劳加载f ，材料各级虑力循环里吸收的净功相互独立，与廊力等级的前后顺序 无关。 除m i n e r 准则之外，有关疲劳损移j 累积还有其他的重要理论【9 】。如l a n g e r 准则、m a r c o s t a r k e y 与h e n r y 损伤模刑、l e v y 试验、b i m b a u m s a u d e r s 均值m i n e r 准则等。但是它们在 i ：删上的虑川比较复杂，不如m i n e r 准则在i ：群上简便易川。而且断裂力! 学、损伤力学提供 的损伤演变规律显示，在一定力学条什r ，即使损伤是一卅线性的，m i n e r 线性疲劳累积准则 的精度并不比其他俳线性理论著，冈此m i n e r 线性疲劳累积准则在船舶疲劳l ：科领域- i i 有1 f 常重要的地位。 1 3 船舶建造工程中的疲劳校核 在船舶建造j l 隍中，最早对疲劳校核提出具体、详细、完整的规范要求的是英国劳氏 船级社的“s h i p r i g h t 疲劳设计评估方法”( 简称s h i p r i 曲tf d a ) ，体现山j ：程实践中对 船舶疲劳现象校核的贝体规范要求。 在过去二十年内，虽然各船级社对丁疲劳结构损坏核新建船舶结构进行了疲劳计算利 分析，但住f d a 发布之前还未有把明确的疲劳发计方法或准则弓进规范。在规范中有关肪 第一章腓舶结构疲劳现象的究和发胜脱状 i r 疲劳破坏的设计方法只是根据许心应力提出隐含的疲劳要求。而许t l l 庶力水平也只是按j | 简单的疲劳破土 、评估技术利实验经验确定的，这些就是传统的经验方法的不足之处。 对丁新一代船舶，例如舣壳油轮缺少有价值的实际经验，尤其是许多新油轮* 遍采_ 【 j 高强度钢，结构的优化设计和载荷i ：况的多变性也可能影响剑这种经验方法的麻州。 1 9 9 4 年英国劳氏船级社止式公布“评估疲劳性能的综合方法”s h i p r i g h tf d a 。这 是一个包括多种水平的疲劳设计评估方法( 水平l ，2 和3 ) ，这方法还必须与建造监控 ( s h i p r i g h tc o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n g ，简称s h i p r i g h tc m ) 及船体状态监控( s h i p r i g h th u l l c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，简称s h i p r i g h th c m ) 一起保让可靠的疲劳性能。 s h i p r i g h tf d a 水平l 【8 】( 义称结构肖点设计指导) 的目的是在设计初期提供良好u 点 设计的指导，这是根据劳氏船级社在世界范周内收集的市图专家雨j 现场验船师的人揖实际经 验，井结合设计、分析和建造等方面的知识编制的。 s h i p r i g h tf d a 水平2 嘲给山的船体纵骨疲蚶分析软什是专fj 针对船体纵骨结构进行疲 劳校核的计算席_ l j 软仆，包括谱分析法、航程模拟、船舶结构：仃点的疲蚶强度特点等内容。 其中为了确定结构1 y 点的疲劳寿命，对丁给定的船舶营返期，按 ! im i n e r 线性疲劳损伤累积 定理计算疲劳寿命时确定的i 支明应力谱和结构疲，特性，就是谱分析法。在疲劳计算分析中 采刚指定的疲必波浪环境，对r 给定船舶类型在各种贸易航区的组合情况r ，麻h 一定的通 航性标准进行船舶住整个服务期间的航样模拟。为提高预报疲劳寿命的可信度，并对船舶结 构1 7 点处疲劳裂纹的产生雨j 扩展有更好的认识劳氏船级社从1 9 9 2 年起进行了人尺度船舶 结构模型的疲劳实验。俄罗斯的克宙洛大船舶研究院承担了这些实验，根据实验结果捉出了 对人尺度船舶实际结构点的疲劳强度特点。 s h i p r i g h tf d a 水平3 1 8 】比水平2 有所提高，水平2 要求对纵骨结构进行疲劳校核，而 水平3 能对船舶任何仃点的疲劳性能进行评估。在水平3 计算中对丁：波浪引起的运动平| 1 城倚 以及船舶结构在这些载荷作_ l l f 的响应计算方法与水平2 计算软什中采川的方法不同。 在英国劳氏船级社发布s h i p r i 曲tf d a 规范雨j 疲劳校核软1 ，l ：屙，其他船级社也相继发布 了针对疲劳校核的规范平计算软1 ，| ：。例如捌嘁船级社的n a u t i c sh u l l 疲劳校核软什，也 是h j 丁船体纵骨疲劳校核的计算样序，对应丁- 劳氏船级 十s h i p r i g h tf d a 水平2 的纵骨疲劳 校核软1 ，j ：；此外，挪威船级社也公布了相对席7 - - s h i p r i g h tf d a 水平3 的船体1 ，点疲劳校核 方法和规范【”。 船舶结构的疲劳校核是一项i 作鲑人、难度高的r 科i ：作，目前国内外船舶1 业界对 船舶结构疲劳强度校核方法的研究仍在不断进行之中。随着研究的继续深入，相信会有更加 准确的船舶结构疲蚶校核规范币方便疲劳计算软什投入使川，使船体结构疲劳但度在船j | i 设 计阶段就得剑保证。 4 第一章f p s o 结构和t 作特点 第二章f p s o 结构和工作特点 f p s o 是f l o a t i n gp r o d u c t i o ns t o r a g ea n do f f i o a d i n g 的英文缩弓，中文称为浮式生产储 油卸油轮或简称浮式生产系统，兼有生产平储油的功能，通过单点系泊j 州定在1 ：作海域。f p s o 可以与导管架井口平台相组合，也可以与白升式钻采平台相组合，但更主要的是用r 深水采 油与海底采油系统组合成为完整的深水采油、油气处理、原油储存和卸油的系统。f p s o 的 特点有机动性和运移性好：具有适应深水采油的能力；贝有在深水域中较人的抗风浪能力： 具有人产姑的油、气、水生产能力和人的原油储存能力。 在讲述f p s o 疲劳校核过程之前，有必要先介纠一ff p s o 结构平生产特点。止是这些 结构平生产j ：作上的特点，决定了f p s o 疲劳校核计算过程中与泞通运营船舶疲劳校核计算 的不同。图2 1 为浮式生产系统的示意幽。 2 1f p s o 结构特点 幽2 - 1 浮式生产系统总体示意剀 与 牛通运营船只相比，f p s o 在船体结构方面有以f 特点： ( i ) 由3 - f p s o 主要作为油田的长期储油设备。所以需要有很人的储油空间，冈此船长、 船宽利方型系数都很人，并且平行中体所io i 船k = 的比例较人。 ( 2 ) 冈为f p s o 长期j ：作在俐定的海域，通常没有航行的必要，所以f p s o 没有普通运营 船只为航行中减小波浪阻力而设计的船艏球鼻艏结构，f p s o 的船艏刑线比较简单。 ( 3 ) f p s o 依箍y o k e 方式定位在i 州定的海域，在船艏有支架系统。 ( 4 ) f p s o 在艏楼甲板上有火炬塔结构。 2 2 f p s o 生产工作特点 浮式生产系统是通过单点系泊锚泊形式州定在。i ：作海域的，幽2 - 2 所示为f p s o 的一种 j ：作状态。 5 第一窜f p s o 结构和t 作特点 幽2 - 2 浮式生产系统i ：作示意幽 与_ l 孚通运营船只相比，f p s o 有以r 生产j ：作特点： ( 1 ) 、f p s o 常年f ：作在定的海域，除非油田停产，否则它不能离开油田，冈此f p s o 在 其全部服役j 9 】内都要承受疲劳载荷的作_ h j 。而将通船只在港_ c | 】间认为是不受疲疗载荷作川 的，其承受疲劳载荷的时间为服役期的8 5 。 ( 2 ) 、f p s o 没有进坞维修的可能，而忤通船只可以进坞人修，冈此f p s o 的疲蚶校核要求 较高，由普通航行船只的2 5 年要求提高剑4 0 年。 ( 3 ) 、f p s o 是单点系泊，采川y o k e 支持系统。与系泊系统相连接的船体部何承受较人的 交变载荷作川，成为疲劳校核对象。 ( 4 ) 、由tf p s o 的单点系泊特性，使得船体始终处丁迎浪状态，虽然风雨 米流的方向与浪 向通常有一定的夹角，但总的米说，f p s o 浪向角一般在1 8 0 。左右的一定夹角范闱| ! | 。 2 3 目标船介绍 本文以国内一艘住建的浮式生产储油轮为例，介宝f f p s o 的全船疲劳校核过料。该浮式 生产储油轮( 以r 称目标船) 的土要参数如r ： 最人船k l o a = 2 6 2 2 0 米 水线间kl w l = 2 5 0 米 硪线问k l ，p = 2 5 0 米 型宽b = 4 6 米 型深d = 2 4 6 0 米 满载排水煞= 1 8 6 6 7 9 0 吨 满载平均吃水d = 1 7 4 9 4 米 压载平均吃水d = 8 8 9 2 米 目标船共五个储油货舱，f r 2 t s - f r 2 5 5 为第一货舱；f r 1 7 5 f r 2 1 5 为第_ 二货舱 f r 1 3 5 f r 1 7 5 为第二货舱；f r 9 5 f r 1 3 5 为第四货舱；f r 5 5 f r 9 5 为第五货舱。 6 第三章f p s o 疲劳校核区域的确定 第三章f p s o 疲劳校核区域的确定 对f p s o 进行疲劳校核的首要工作是疲劳校核区域的确定，也包括疲劳裂纹方向的判 定。 f p s o 常年工作在固定的海域，在波浪力的作用下，船体结构的多个部分不问断地承受 着交变载荷的作用。因此，承受交变载荷作用的构件( 尤其是构件的连接节点处) 都有可能 发生疲劳损伤，所以应该对所有可能发生疲劳损伤的节点都进行疲劳校核。但是，疲劳校核 是一项计算量巨大的工作，而船体结构需要校核的构件又非常多。由于受到人力物力的限制， 在实际工程中，要对所有的发生疲劳损伤的构件都进行疲劳校核是不合理的，也是不现实的。 一般来说，首先发生疲劳断裂的构件部位是承受交变应力最大的部位，而且，容易发生 疲劳损伤出现裂缝的构件也是可以根据疲劳校核的经验预先确定。所以在实际的疲劳校核工 作中，只能选取船体结构中疲劳损伤可能性最大，所受疲劳损伤最严重的少数构件节点进行 疲劳校核。船体结构所承受的交变应力是由波浪诱导船体的总弯曲、波浪对局部结构的动压 力和货舱内货物的运动惯性力等因素引起的。因此选择疲劳校核点首先应考虑上述三种应力 交变载荷较大，并且应力集中系数较高的结构部位。 本章中首先介绍通常的疲劳校核区域，这也是f p s o 船体疲劳校核首先应考虑到的区 域。然后介绍由于f p s o 船体结构特点和工作特殊性，在校核中所要考虑到的f p s o 特有的 疲劳校核区域。最后介绍一下疲劳校核点确定的一些其他要求。 3 1 常见船舶疲劳校核区域 虽然f p s o 有其结构和工作形式上的特殊性，但它毕竟有船舶的一般结构形式。因此对 一般船舶结构需要进行疲劳校核的区域，f p s o 也要进行疲劳校核分析。这主要包括船体纵 骨结构和不连续构件。 3 1 1 船体纵骨结构 船体在波浪载荷的作用下，承受波浪诱导垂直弯矩和水平弯矩的联合作用。纵骨是承 受这种作用比较明显的构件。在船体中部区域，船体总纵弯曲和水平弯曲的力矩最大，会对 纵向构件引起较高的总纵弯曲应力，再加上横舱壁、强肋框和肋板等横向构件的约束引起的 局部变形应力，因此船体中部纵骨结构与横舱壁两端的连接点，与肋扳、强肋框的连接点都 可能出现较高的合成应力，因此船体纵骨结构是f p s o 疲劳校核的重要部分。 对纵骨结构进行疲劳分析时，首先应该确定疲劳校核面，在校核剖面处的纵骨与横向 大型构件的连接点都应该进行疲劳校核。一般至少应选取船中截面进行疲劳校核，中间舱段 最靠近l 2 l ( l 指船长) 的强肋框和两端的横舱壁应确定为疲劳校核面。此外，由于船刖，1 4 l 以外区域构件尺寸减小，波动压力引起的局部应力升高，因此经常选1 4 l 和3 4 l 船长附近 的横舱壁或强肋框剖面作为校核面。另外，还应根据具体情况分析选择其他的剖面作为疲劳 校核面。所以。一般需要选择5 个校核面，即使因为首尾对称至少也得选3 个校核面，对一 些有特殊要求的剖面也得校核。但是，最终校核面的选择还是要经过设计单位、船厂和船级 社等多方协商确定的，确定的校核剖面应考虑到船体结构中比较危险的所有剖面。 纵骨与横舱壁或强肋框的连接形式很多，具体的疲劳校核点要根据连接形式来确定。 图3 1 中给出了一种连接形式，并标明了在这种连接形式下的疲劳校核点位置。 7 第三章f p s o 疲劳校核区域的确定 纵骨 校核 图3 1 纵骨连接形式和疲劳校核点位置示意图 3 1 2 船体不连续构件不连续点 船体的不连续构件承受侧向水压力作用明显，同时还承受着舱内货物的惯性力载荷，对 f p s o 来说，就是液货和压载水的惯性作用。在这些主要载荷作用下，肋框桁材肘板趾端、 横舱壁扶强材肘板趾端、斜底边舱顶板与内底板折角处都是高应力和高应力集中的部位，并 且它们都是构件的不连续处，因此经常被选做疲劳校核区域。 不连续构件的校核区域经常选在船体中段，这是因为船体中部波浪诱导弯矩、惯性力和 水动压力的作用都比较大。此外，在i 4 l 和3 4 l 以外区域构件尺寸逐渐减小，水动压力和 惯性力作用仍然明显，也有可能被选做疲劳校核区域。 3 2f p s o 特有的疲劳校核区域 由于特殊的船体结构和工作特点，f p s o 有其与一般航行船只不同的疲劳校核区域。这 里主要介绍锚泊系统结构和火炬塔结构。 3 2 1 锚泊系统 f p s o 是单点系泊于固定海域的，因此锚泊系统结构和与之相连接的船体结构必然承受 着较大的交变载荷作用，这就使锚泊系统和与之相连接的船体结构成为疲劳校核的重点之 一。 一般来说，f p s o 采用y o k e 锚泊方式，如图3 - 2 所示。 m s s y o k e 图3 - 2y o k e 锚泊系统示意图 由于波浪引起的系泊力通过锚泊系统传递到船体结构上，船体与之相连接的结构必然 承受着较大的交变疲劳载荷作用，因此这一区域的船体必须设计得足够承受锚泊力作用下的 疲劳损伤，满足疲劳寿命的要求。所以这一区域是需要进行疲劳校核的。 8 第三章f p s o 疲劳校核区域的确定 在y o k e 锚泊方式中，由锚泊系统传递过来的系泊力作用在船艏支架( m s s ) i ，通过 支架的支柱作用在船体艏楼甲板、主甲板及支柱下方的纵舱壁、强横梁和附近的支撑肘板上， 这些船体结构因此是不间断地承受着交变载荷的作用，所以都是需要进行疲劳校核的a 此外， 支架结构和摇臂是传递系泊力到船体的结构，它们也不间断地承受着疲劳载荷的作用，所以 它们也是疲劳校核的一部分。 3 2 2 火炬塔 在油田采油的过程中，要通过燃烧头将部分石油气烧掉。火炬塔是安装在f p s o 甲板上 用于支持燃气头的导管架结构，一般有几十米高。燃气头安装在火炬塔的顶端的小型平台上， 此外还有供工作人员上下的扶梯等设备。f p s o 船体由于波浪力的作用产生各个方向的运动 加速度，对火炬塔产生惯性力的作用，因此惯性力引起的结构应力是交变应力，使火炬塔结 构产生疲劳损伤。火炬塔的导管架节点是疲劳损伤比较明显的部位，是需要进行疲劳校核的。 火炬塔导管架构件尺寸一般变化不大，而低层的节点所承受的惯性力载荷要明显大于高层的 节点所承受的惯性力载荷，因此在进行疲劳校核的时候一般只需选取最靠近艏楼甲板的一两 层节点进行校核。如果它们的疲劳寿命满足要求，则其他节点的疲劳寿命也满足要求。另外， 火炬塔与艏楼甲板的连接处也是承受惯性力载荷作用明显的部位，但是经常有肘板等强构件 支持，所以是否对连接处进行校核视具体情况而定。如果强构件的支撑作用明显，底部节点 就可免于校核。火炬塔结构如图3 - 3 所示。 l 刀i e 目# 一i 一i 7 l 火炬塔和艏楼 8 抄暇撒处广4 图3 - 3 火炬塔结构及校核位置示意图 3 3 疲劳校核点确定的其他要求 甲板 依据上述的要求，可以基本确定在对一艘f p s o 进行疲劳校核时应选取哪些部位做为校 核的重点。但是在实际的工作中，并不是机械地按照上面的要求选取。校核部位的最终选定， 不但要根据上述要求，还要根据f p s o 具体的结构形式特点，y f = e - q 船东、船检部门、设计 部门和船厂共同协商确定。这些部门对f p s o 疲劳校核的要求在疲劳计算中应体现出来。 9 第四章f p s o 疲劳校核方法 第四章f p s d 疲劳校核方法 4 1f p s o 疲劳校核计算流程 目前，船舶疲劳计算是基于s - n 曲线的线性累加损伤的一种计算方法。疲劳计算的主 要内容包括疲劳载荷的预报交变应力幅值的计算。累积损伤的计算和结构疲劳寿命的预报。 其中疲劳载荷的长期预报是疲劳分析的基础。图4 1 为疲劳损伤校核计算主要步骤的流程 图。 简化分析直接分析 a 规范规定 和按经验公式 计算载荷响应i 载荷响应i lh 载荷传递函数 b 应力成分臣二一 可互换的结果 c 应力集中系数 d 应力合成 e 长期应力分布 可互换的结果 m 设计波方法 o 等效的长期应力分 布( w e i b u l 分布参数) f 疲劳损伤计算 图4 - 1 疲劳计算流程图 j 有限元模型 k 精细的有限元模型 l 局部应力的应力成 分的传递函数 n 基于随机疲劳 分析的应力成分 p 按波浪散波图每一个海 况的浪向和周期计算疲劳损 伤并合成 在疲劳分析计算中，不同的疲劳热点的校核是沿着不同的流程路线进行的。利用疲劳 计算的软件系统( 如d n v 的n a u t i c s ) ，可以采用简化的计算方法得到纵骨节点的疲劳寿 1 0 第四章f p s o 疲劳校核方法 命。在简化分析中，根据经验公式计算出波浪诱导弯矩、波浪动压力、液货和压载水的动压 力，求出校核点的名义应力，而典型的纵骨节点连接形式的应力集中系数已经设置为软件的 默认值，结合疲劳寿命计算经验公式得出校核纵骨节点的疲劳寿命。依照这种方法，利用疲 劳计算软件可以快速地进行纵骨节点疲劳校核。船体结构中纵骨结构数量多，与主要横向构 件的连接点也很多，简化的计算处理非常适合纵骨结构节点的疲劳校核。这种简化方法是按 照图4 1 中的a b c d e f 的顺序实施。但是疲劳计算软件中的许多波浪诱导载荷 的计算公式都是针对航行船只。对于f p s o 来说，由于所处的海洋环境与航行船只不同，因 此必须经过波浪长期预报得出波浪诱导载荷，所以对纵骨的简化校核是通过图4 1 中的h i b c p e f 的顺序实拖。 对于其他构件，如肋框桁材肘板趾端、横舱壁扶强材肘板趾端、斜底边舱顶板与内底扳 折角处，或是锚泊系统和火炬塔结构，都需要在有限元模型的基础上计算出校核点的热点应 力后才能进行疲劳寿命的计算。是按照图4 1 中的h _ j k l r _ n o f 的顺序实施的。 4 2f p s o 疲劳校核计算中的基本理论和公式 4 2 i m i n e r 累积损伤理论 疲劳寿命的计算是建立在m i n e r 线性累积损伤理论上的。 结构在交变应力作用下的疲劳损伤是一个累积的过程。通常认为交变应力的每一个循 环都将造成一定的疲劳损伤，从而消耗掉一定分量的结构寿命。对于结构受变幅交变应力作 用的情况，结构总的疲劳损伤量可以通过把各不同幅值的应力循环造成的疲劳损伤按适当的 原则累加而得到。根据不同的累加原则有不同的疲劳累积损伤模型。 目前在f p s o 疲劳校核中最常用的疲劳累积损伤模型是建立在m i n e r 线性累积损伤理论 基础上的。这一理论认为：结构在多级恒幅交变应力作用下发生疲劳破坏时，其总损伤量是 各应力范围水平下的损伤分量之和。 n 若应力范围水平共有n 级，则：d = d i i = i 其中d 为结构总损伤分量，d i 为在第i 级应力范围s 下的损伤分量。 4 2 2 疲劳累积损伤计算公式 ( i ) 当应力的长期分布由w e i b u l l 分布来表达不同的载荷状态，并选择一条s - n 曲线，疲 劳损伤计算公式为： 。= 孚n 妒n 。m r ( ，+ 书q ， = 载荷工况总数 = 每种工况所占设计寿命的比例 = 以秒为单位的设计寿命( 2 0 年的设计寿命对应6 3 1 0 8 秒) = w e i b u l l 分布形状参数； = w e i b u l l 分布尺度参数： = 平均跨零率； = r 函数。 = s - n 曲线参数 中_ 要 o a 剡“n k r 哪 第四章f p s o 疲劳校核方法 尺度参数由应力范围a0 。根据下式确定 ”毋 n o 为计算应力范围时确定的应力循环次数，相当于超越概率的倒数。 此公式用于计算基于w e i b u l l 分布的长期预报的结构热点疲劳寿命。 ( 4 2 ) ( 2 ) 当应力的长期分布是由许多短期分布来表达不同的载荷状态，并选择一条s - n 曲线 疲劳损伤计算公式为： 。= 半r ( + 詈謦。“喜b 。( 2 瓜h 。， 其中： r j j= 短期分布状态下应力循环次数相关系数； u 。= 平均跨零周期 r n o 。= 应力幅值的零阶谱矩 此公式用于计算基于短期预报的结构热点疲劳寿命。 4 2 3 应力成分 在f p s o 疲劳校核中所考虑的应力成分包括总体应力和局部应力。 ( 1 ) 总体应力 由船体总纵弯曲引起的构件应力称为总体应力，包括： o 。：波浪诱导船体梁垂直弯矩主应力成分 o h 。：波浪诱导船体梁水平弯矩主应力成分 ( 2 ) 局部应力 由局部载荷引起引起结构局部变形应力称为局部应力，从引起局部应力的载荷角度看 局部应力由外部水动压力和内部水动压力引起，局部应力包括： o 。：由于外部动压力引起的局部应力幅值； o 。：由于内部动压力引起的局部应力幅值； 上面的局部应力a 。和o 。又都包括三种应力成分： o ，一由于板架弯曲而引起的应力幅值 o ：。一由于纵骨弯曲而引起的应力幅值 o ，一由于无加强的板的弯曲而引起的应力幅值 q ( 。) 2 0 2 + o 2 a + 0 3 ( 4 4 ) ( 3 ) 应力范围与应力幅值的关系： a 盯= 2 0 用于计算热点疲劳寿命的应力范围是通过上述应力成分组合得出的，应力的组合过程在 第六章中介绍。 在简化计算过程中( 如对船体纵骨的疲劳校核) ，以上应力成分可以通过经验公式计算 得出，计算公式也在第六章中介绍，准确的应力值应通过有限元模型计算得出，在第七章中 介绍。 第四章f p s o 疲劳校核方法 4 2 4w e i b u h 形状参数的确定 对于基于长期预报结果的疲劳校核，波浪载荷分布满足w e i b u l l 分布。在简化计算中航 行船的w e i b u l l 形状参数是通过以下经验公式确定的。 h = h o 甲板纵骨 其中 水线以上舷侧结构l 廿 z d 水线处舷侧结构 z = t 。 h = h o + 。_ z o 0 0 5 ( d 一，) 水线以下舷侧结构 z t 。 a c t h = h o 一0 0 0 5 r o c , h = h o + h 。 底板纵骨 横舱壁、纵舱壁 h o = 2 2 1 0 5 4 1 0 9 l o g ) 基本形状参数 l l i 一般取0 0 5 k 为吃水 在采用直接波浪长期分布计算时，可以从波浪统计分布的形状参数的均值取得。 4 2 5f p s o 工况比例分配 船舶在服役期间装载状态多种多样，疲劳分析中不可能全部考虑到。疲劳分析作为工程 计算的一种方法，对于航行船只，认为服役期的4 5 为满载航行状态，服役期的4 0 为压 载航行状态，而服役期的1 5 为停港状态不产生疲劳损伤。疲劳累积认为是满载航行状态 和压载航行状态所产生的疲劳累积损伤的和。 对于f p s o 来说，由于一般不存在停港状态，所以认为服役期只包括满载和压载两种状 态。可以按6 0 、4 0 或5 0 、5 0 的比例分别计算满载状态和压载状态的疲劳累积损伤。 4 2 6 应力集中模型 在船体的构件连接不连续部位或者结构形状突变的位置，都会产生应力集中现象。疲 劳裂纹的产生一般都在结构应力集中现象明显的部位，所以对于f p s o 疲劳校核工作来说， 分析应力集中模型是非常重要的。 在正确分析所有应力成分时，应考虑到包括所有使应力增加的原因。在疲劳分析中， 应力分为： 名义应力 几何应力 切口应力 ( o 。i l i l l ) 根据结构整体形状得到的应力值，可由粗网格模型计算得出。 ( o 。) 几何应力包括名义应力和由于几何结构不连续和形状突变造成的应 力集中放大。需在精细网格模型上计算，再由插值计算得到的最大应力值( 在 焊角边上) 一般