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船体结构疲劳寿命的评估

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摘要：疲劳破坏对工程结构和构件有重要的影响，大量的实例证明，疲劳破坏也是船舶结构破坏的主要原因。近年来，国内外开始发现并重视船舶结构的疲劳问题，并得到很多高质量的理论和研究成果，使得船舶安全性得到一定程度的提升。但由于船体构造的复杂性，以及航行环境的多变性，使得船舶的疲劳计算也相当复杂。本文主要介绍了基于S-N曲线和Palmgren-Miner线性累积损伤准则的疲劳累计损伤方法（简称S-N曲线法）以及基于Paris裂纹扩展法则的断裂力学方法（简称断裂力学法）两种宏观分析方法，并对疲劳载荷、疲劳应力、船体健康监测系统、疲劳强度评估的一般步骤做以简单介绍。

关键词：船体结构、疲劳破坏、累计损伤

1船体结构疲劳强度与疲劳寿命概述

1.1船体结构疲劳强度与疲劳寿命的研究进展

船舶在运行经营过程中必定会经历风浪，风浪会使船舶处于中拱、中垂交变应力的状态，这种交变载荷周期性的累加到一定程度，量变产生质变，就会造成船舶的疲劳破坏。由于船舶无时无刻不漂泊在水中，其航行路线的气象状况、载货状态、航行速度都在不断变化，因此疲劳破坏从船舶入水的那刻起一直伴随终身，是船舶破坏的一种主要形式。由于疲劳不会对船体造成立即破坏，而是累积到一定程度船体材料才会产生失效，因此如何提早发现，在船体材料失效前及时做出正确的评估可以有效地减少海难的发生、人员的伤亡及财产的损失。

关于疲劳理论，是在1962年由Vedeler发现并提出，但没有引起足够的重视。70年代末Jordan和Cochran对大量船舶疲劳裂纹的实际调查结果引起了一定范围内的重视。在此基础上Munse等人探讨了疲劳强度的校核方法并提供了S-N曲线，Chen等人提出了用开口角隅处测得的应变来预报疲劳寿命的方法，Clarke研究了水面舰船的疲劳破损情况，Wirsching和Chen提出了应用基于概率论的方法进行分析，也即进行疲劳寿命的可靠性分析。

又经历了几十年调查统计的佐证终于引起了整个船级社的重视。德国劳氏船级社（GL）第一个将疲劳强度校核方法正式列入船舶设计规范。随后其他主要船级社：DNV（挪威船级社）、ABS（美国船级社）、LR（英国劳氏船级社）等也分别建立了各自的疲劳强度校核方法。

1.2我国船体结构疲劳强度与疲劳寿命的研究需求

自从我国加入世界贸易组织后，对外货运贸易显著增加，这就对我国船舶安全性提出了巨大的考量要求，因为：

①优化结构的高度使用

②高强度钢以及简化结构元件和制造技术的大量运用

③老化结构数量的增加

④公众对于生命和环境保护的日益敏感

我国从80年代初就有人从事这一领域的研究探索，虽然取得了重大的进展，但还没有建立完整的、全面的校核体系，实际成果还没有投入实践，如何解决疲劳破坏产生的一连串的后续问题是我国船舶设计部门亟待解决的问题。通常研究疲劳强度有两种方法：

㈠S-N曲线法。通过前期实验得出结构材料普遍适用的S-N曲线，再结合Palmgren-Miner累计公式计算结构的疲劳寿命。

㈡断裂力学方法。任何结构和零件从微观视野中都会存在裂纹。当有力作用时，在裂纹的尖端就会产生相应的应力场，可用应力强度因子K的参量来表述，它的应力临界值为KC，到达应力临界值时结构就会解体。当应力强度因子的合理表达式及材料的断裂韧性已知，就可通过计算求出产生破坏的临界裂纹尺寸。

尽管在设计时工程师都是严格按照规范对船体结构进行计算，但其都是参照理想化的模型设计的，因此如何评估船舶在实际服役期内的结构极限，作出及时的检测、维修、预判，对船舶的运行安全显得越来越重要。

2疲劳累积损伤理论

疲劳过程一般来说可以分为三个阶段：细纹的产生，裂纹的稳定扩展和断裂。由于制造材料不可避免的存在缺陷，其表面会有大量的微裂纹，在应力作用下这些微裂纹扩展、聚合，凝集成宏观裂纹，宏观裂纹进一步扩大、交接形成带有严重危险性的危纹，并最终断裂。疲劳破坏的原因与强度破坏的原因不同。强度破坏是一种极值破坏，受极值应力幅值影响，是一种瞬间的破坏，而疲劳破坏是由交变应力引起的逐渐累积的破坏。

由于疲劳破坏用微观层次来分析极为复杂，故目前的分析都是建立在宏观层次上。宏观层次上的两类分析方法就是:基于S-N曲线和Palmgren-Miner线性累积损伤准则的疲劳累计损伤方法以及基于Paris裂纹扩展法则的断裂力学方法，即所说的S-N曲线法和断裂力学法。S-N曲线法适用于预测裂纹产生的寿命，通过将裂纹扩展过程简化为状态进而估算结构全寿命。而断裂力学法适用于预报临界裂纹出现的时刻，但其必须建立在初始裂纹总是存在的基础上，不计裂纹的起始寿命。两种方法各有优势，也各有短板，最科学合理的办法是将二者结合起来，用S-N曲线计算裂纹产生的寿命，