颤振力对船舶结构疲劳损伤的影响外文翻译资料

颤振力对船舶结构疲劳损伤的影响

摘要:船舶的疲劳损伤主要是由波浪引起的，由于波浪引起的振动而产生的高频压力称为颤振力，在设计过程中通常是不考虑的。然而，最近许多刚建的集装箱船的船首和船尾开口越来越能够引起频繁的颤振力。如果在假定雨量计算和Palmgren-Miner规则假定下，全尺度测量方法显示由高频率过载引起的疲劳损伤有一个重要的增长。另一方面，一个增加的破坏速度的损坏率还没有被观察到，所以，问题出现了，如果这种方法和忽视应力周期的一连串影响论证了这些负荷的变化。因此，疲劳试验是在连续板的横向强构件处进行。在一个第一调查研究中，低频率的、连续的振幅负荷在更高频率的压力周期中叠加。在接着的调查研究中，强调从在巴拿马型集装箱船中的全尺度测量中获得的历史数据，包括一个典型的颤振现象被采用。从测试中得到没有颤振负荷周期的疲劳极限，符合根据Palmgren-Miner规则计算得到的数据。最后，最近作者的一个关于颤振压力在疲劳分析的简化模型的提案正在被研讨。

关键字:船舶 纵向强度 波浪 压力 疲劳破坏 疲劳测试

1. 引言

海上船船不仅受到波浪引起的弯曲应力，也受到波浪撞击产生的应力，叫做砰击应力，以及后续产生的振动称为颤振力。这种砰击发生在船舶前半部的底部，在海况恶劣的海域，船舶前半部会持续的击打水面，这是一个典型的现象。颤振频率是由船体板的最低固有频率决定的，通常比波浪引起的弯曲应力的频率高一个数量级。

因为船底砰击主要发生在小船上，通常是在有压舱物情况下，由波浪引起的弯曲应力小于大船的情况下，在纵向强度估算过程中，在过去，额外的颤振压力在设计过程中是不考虑的。

然而，在过去的几年中，情况发生改变了。现代的集装箱船舶由于明显的首尾外飘而变得特殊化，这些都是更频繁的砰击影响的原因。在初步设计过程中，这是船舶产生更高频率的砰击破坏的原因。第一次相关的高频的颤振压力是在20世纪90年代在航行在北大西洋的四艘集装箱船上长期测量而发现的。这些测量数据显示了一个重要的不同点，在三艘传统船型和一艘特殊首部外飘的集装箱船之间。观察到的弯曲时长比设计允许的时长高30%，负荷周期也有2倍高。通过观察得出的结论是最近修订的纵向强度的标准比之前的标准更符合要求。

在一艘大型矿砂船由于波浪振动而产生疲劳破坏被发现之后，它们对纵向强度的影响被进一步测试。大概41%—73%的疲劳破坏与波浪引起的振动有关。相似的结果在一艘大型的集装箱船和一艘LNG船上的测量期间被发现。传统的测量弯曲应力典型方法如图一所示。所有的测量中50%显示波浪引起的振动对于整个疲劳破坏的影响十分大。

通常应用雨流计数技术方法测试应力，考虑了弹塑性材料在开口处的记忆效应的影响，和Palmgren-Miner规则被应用在预测在负荷振动振幅下的屈服极限的疲劳破坏一样。这种破坏由于短应力周期低于疲劳的临界点的情况下通常考虑Palmgren-Miner规则，假定一个疲劳寿命曲线的修正指数的斜率。另外，国际焊接委员会推荐的破坏指数低于D=0.5的损伤总和。

影响疲劳寿命预测的另一个参数是应力谱的带宽，其在负载过程中的几个频率的情况下变得更宽。 引入雨流计数技术校正因子来考虑带宽对雨量计数的影响。 该效应对于宽带光谱是积极的。 同时，在此期间已经进行了对该主题的若干研究，例如，最近由Gueacute;de等人对多峰光谱进行了很多研究。

总之，可以说，确实存在关于在包含波浪载荷和颤振振动的典型应力历史下的真实疲劳损伤的一些不确定性。此外，船舶结构的设计需要实际的程序。Fricke和Paetzold使用具有不同频率的叠加应力循环的简化应力历史进行疲劳试验，并得出了结论，几乎整个疲劳损伤过程是由低频波诱发的应力循环引起的，这个应力循环甚至可以被忽略掉。这最终导致了一个非常简单的建议，一定要考虑疲劳分析过程中的颤振应力。

此外，Gotoh 等人使用包含叠加应力的历史应力进行疲劳试验，并提出了从随机加载中提取有效加载序列的类似程序。 他们将传统的S-N方法与基于断裂力学的RPG（拉伸塑性产生区）载荷标准方法进行比较，这在考虑载荷序列对疲劳寿命的影响方面是积极的作用。

图1.集装箱船甲板应力的历史测量

Osawa 等人提出使用由两个激振器来驱动的特殊试验机来进行叠加振动的疲劳试验研究。 第一个结果证实，基于扩大的低频率负载循环（这里称为包络计数方法）的简化计数技术方法产生良好的疲劳寿命预测结果。

同时，一些船级社现在已经出版了关于考虑疲劳设计中的搅拌应力影响的建议，例如，Germanischer Lloyd提出了一种基于上述发现的半经验方法，仅仅考虑扩大的波浪诱导应力循环的影响。 本文利用具有不同频率的叠加历史应力方法来回顾分析疲劳试验，然后描述附加疲劳损伤试验以验证使用测量的历史应力从而提到的方法。

2．调查试样

其中，具有双侧横向扶强材的试样如图2所示，并用于试验，受到轴向载荷的作用。具有12mm厚度的板由具有最小屈服强度ReH = 355MPa的较高拉伸钢HT36制成的。试样宽度为50mm。横向扶强材是船舶甲板结构中的典型细节处。双面加强件布置的方法具有角变形相当小的优点，因此避免了由于夹紧和由于样本的轴向载荷作用从而产生的二次弯曲应力影响。

图2.试样的疲劳试验

S-N曲线由应力比R = 0的恒定振幅测试建立。轴向载荷的影响是由频率为4Hz的液压制动器产生。将试样的断裂作为破坏的标准，如图3所示。

图4和表1显示了17个试样的S-N结果。应用回归分析方法得到的平均曲线具有m = 4.03的平均斜率指数。假设焊接接头的标准坡度指数为m= 3，在两百万负载循环时产生= 98.7MPa的平均疲劳强度影响，则存活概率= 97.7％的特征疲劳强度为= 79.4MPa。

图3.试验后的试样

图4.恒定振幅测试的S-N图结果

1. 具有叠加正弦函数的历史应力

通过两个具有不同频率的叠加正弦函数创建为历史应力，以模拟低频率波载荷和更高频率的波载荷产生的颤动应力。周期T与被认为是与典型集装箱船相差9倍。由于数目不均匀的原因，两个函数的最大值和最小值会同时出现。

根据图5选择较高频率应力和低频应力幅值= 0.5之间的比率。该应力历史的雨流计数在叠加历史的最大值和最小值之间产生一个大的应力循环，并且由较高频率函数产生的八个较小的应力循环（参见图6）。 请注意，较小的应力循环2-9具有比小的幅度。与较大的应力循环过程相比，这些较小的应力循环过程的疲劳损伤贡献相当小。 假设S-N曲线的典型斜率指数为m = 3，且没有拐点,小应力循环的相对损伤可以表示为一个周期T的函数关系如下：

(1)

表1. 恒定振幅试验N循环（R = 0）

图5.两个正弦函数叠加的历史应力

其中是根据负荷水平i的S-N曲线的持久应力循环的数量值。由于八个小应力循环造成的损伤最大的一个才只有13％。

另外一方面，由于振幅增大，大应力循环的损伤显著增加。如果再次假定m = 3，它由于叠加的振幅增加因子。如果考虑整个应力历史，79％的总损伤可能与颤振应力过程有关。

图6.在一个周期T中通过雨流法计算的负载周期

使用与恒定振幅测试相同的测试布置将负载历史应用于上述样本中，以排除对结果的任何进一步影响。 在周期T内的最小应力和最大应力之间的比率再次R = 0（参见图6）。

总共进行12个测试来改变负载水平。 疲劳寿命总结在表2中并绘制在图7中，为叠加的历史应力的最大应力范围。该图还包括来自具有m=4.03和m=3.0的斜率指数的恒定振幅测试的平均SN曲线，根据所选择的SN曲线的不同以及通过Palmgren-Miner规则针对极限损伤和D=1.0和0.5获得的寿命曲线。根据Haibach方法，对于S-N曲线和改变的斜率指数（2m-1），假定个负载循环的拐点。

表2. N循环到具有正弦函数叠加的可变振幅测试的断裂，振幅比为 0.5（R = 0）

结果如图7所示。一般表明，通过Palmgren-Miner法则方法可以很好地预测疲劳寿命。而不管选择两个斜率中的哪一个，来自测试的疲劳寿命分散在D=1的预测结果的周围。 具有S-N曲线的斜率指数m=4.03的预测似乎比斜率指数m=3.0能更好地匹配结果。

关于忽略小负载循环的简化方法，根据等式（1）中仅仅出现13％的差异。该差异在图7中几乎不可见。在这种情况下79％的破坏和颤振产生的影响有关，且这相对

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