一种C型独立液货罐Y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法与流程

本发明涉及船舶结构设计领域，尤其涉及一种独立液货罐焊接接头疲劳评估筛分准则的确定方法。

背景技术：

对于c型独立液货罐液化气船，其双体、三体罐的y型接头部位均是疲劳损伤计算的重点考虑部位。ccs《船体结构疲劳强度指南》(下文简称《疲劳强度指南》)详细叙述了船体结构疲劳评估方法，但是对于各个焊接接头位置都按照《疲劳强度指南》计算疲劳损伤，显然是非常繁琐的，而且相当费时。

技术实现要素：

为了克服已有立液货罐接头疲劳评估方式的操作复杂、精确度较低、计算量较大的不足，本发明提供一种简化操作、精确度较高、计量较小的c型独立液货罐y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种c型独立液货罐y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法，包括以下步骤：

步骤s1：计算出10^-8概率下的垂荡动压力p作用下y型接头处最大主应力；

步骤s2：假定罐体处于弹性状态，压力和应力成比例，计算出蒸汽压力p0作用下y型接头处的最大主应力s(p0)；

步骤s3：假定空载时罐体载荷为零，因此接头处应力为零，得低周疲劳的细网格对应的应力范围δsh,l；

步骤s4：假定接头处精细网格应力/细网格应力为k，不计平均应力对应力设计范围的影响，推得推得精细网格的低周疲劳热点应力范围δsd,l；

步骤s5：根据所得的δsd,l和s-n曲线，计算得到低周疲劳损伤dl，

步骤s6：通过累积损伤允许值cw计算出高周疲劳的累积损伤dh；

步骤s7：由weibull函数的累积损伤积分公式和步骤s6中计算所得的dh，并设定haibach效应系数μk，推出疲劳筛分准则。

进一步，所述步骤s2中，根据下述公式得到蒸汽压力p0作用下y型接头处的最大主应力s(p0)：

即：

其中p垂荡工况下的总压力，p0为蒸汽压力，

s(p)为压力p作用下y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力，取自罐体y型接头有限元细网格计算结果，s(p0)为压力p0作用下y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力。

再进一步，所述步骤s3中，根据下述公式处理得到低周疲劳的细网格对应的应力范围δsh,l：

所述步骤s4中，根据下述公式处理得到精细网格的低周疲劳热点应力范围δsd,l：

其中ft为板厚修正系数，按下式计算：

ft＝1.0当t≤22时；

当t＞22时。

所述步骤s5中，根据下述公式求得低周疲劳损伤dl：

其中，nt为设计寿命期间内装卸货总次数，如nt小于1000，则取1000。

所述步骤s6中，根据下述公式求得算出高周疲劳的累积损伤dh：

其中，cw为疲劳累积损伤允许值。

所述步骤s7中，根据下述公式处理得到疲劳筛分准则：

其中，

nd为船舶在20年营运期间的载荷循环次数，取0.65×10⁸；nl为载荷谱回复周期的循环次数，取为100；δsd为高周热点应力范围上限；αk为载工况“k”的时间分配系数，此处取为0.45；ζk为weibull形状参数，取1.0；m为s-n曲线反斜率，取为3；k为s-n曲线中d曲线参数,取1.52×10¹²；γ(x)为完全gamma函数值。

所述步骤s6中，满足下述疲劳筛分准则，即不需要进行疲劳评估：

其中：δp为10^-8概率的垂荡动压力变化范围；cw为液货罐疲劳累积损伤允许值；ft为板厚修正系数；p为总压力；s(p)为压力p作用下y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力，取自罐体y型接头有限元细网格计算结果；nt为设计寿命期间内装卸货总次数；p0为蒸汽压力。

本发明的技术构思为：本发明针对c型独立液货罐的特点，依照ccs《疲劳设计指南》，在适当的假设下，推导了液货罐y型接头处疲劳评估的筛分准则。

本发明的有益效果主要表现在：可以简便和精确的筛分出小于损伤容许值的位置，能有效地筛分出不需要进行疲劳评估的c型独立液货罐y型接头，避免了繁杂的疲劳计算过程，减少了计算量。

附图说明

图1是双耳罐y型接头有限元模型的示意图。

图2是三耳罐y型接头有限元模型的示意图。

图3是敏度分析曲线，其中，(a)为δp-k曲线；(b)为δp-μk曲线。

图4是一种c型独立液货罐y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种c型独立液货罐y型接头疲劳评估筛分准则的确定方法，包括以下步骤：

步骤s1：计算出10^-8概率下的垂荡动压力p作用下y型接头处最大主应力；

步骤s2：假定罐体处于弹性状态，压力和应力成比例，计算出蒸汽压力p0作用下y型接头处的最大主应力s(p0)；

步骤s3：假定空载时罐体载荷为零，因此接头处应力为零，得低周疲劳的细网格对应的应力范围δsh,l；

步骤s4：假定接头处精细网格应力/细网格应力为k(k＝1.2：1，注：实际为1.0～1.1，此处偏保守地取1.2)和不计平均应力对应力设计范围的影响，推得推得精细网格的低周疲劳热点应力范围δsd,l；

步骤s5：根据所得的δsd,l和s-n曲线，计算得到低周疲劳损伤dl，

步骤s6：通过累积损伤允许值cw计算出高周疲劳的累积损伤dh；

步骤s7：由weibull函数的累积损伤积分公式和步骤s6中计算所得的dh，并假定μk＝0.7(注：实船计算表明，μk＜0.5)，推出疲劳筛分准则。

进一步，所述步骤s2中，根据下述公式得到蒸汽压力p0作用下y型接头处的最大主应力s(p0)：

即：

其中p垂荡工况下的总压力，p0为蒸汽压力，

s(p)为压力p作用下y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力，取自罐体y型接头有限元细网格计算结果，s(p0)为压力p0作用下y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力。

再进一步，所述步骤s3中，根据下述公式处理得到低周疲劳的细网格对应的应力范围δsh,l：

所述步骤s4中，根据下述公式处理得到精细网格的低周疲劳热点应力范围δsd,l：

其中ft为板厚修正系数，按下式计算：

ft＝1.0当t≤22时；

当t＞22时。

所述步骤s5中，根据下述公式求得低周疲劳损伤dl：

其中，nt为设计寿命期间内装卸货总次数，如nt小于1000，则取1000。

所述步骤s6中，根据下述公式求得算出高周疲劳的累积损伤dh：

其中，cw为疲劳累积损伤允许值。

所述步骤s7中，根据下述公式处理得到疲劳筛分准则：

其中，

nd为船舶在20年营运期间的载荷循环次数，取0.65×10⁸；nl为载荷谱回复周期的循环次数，取为100；δsd为高周热点应力范围上限；αk为载工况“k”的时间分配系数，此处取为0.45；ζk为weibull形状参数，取1.0；m为s-n曲线反斜率，取为3；k为s-n曲线中d曲线参数,取1.52×10¹²；γ(x)为完全gamma函数值。

所述步骤s6中，满足下述疲劳筛分准则，即不需要进行疲劳评估：

其中：δp为10^-8概率的垂荡动压力变化范围；cw为液货罐疲劳累积损伤允许值；ft为板厚修正系数；p为总压力；s(p)为压力p作用下y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力，取自罐体y型接头有限元细网格计算结果；nt为设计寿命期间内装卸货总次数；p0为蒸汽压力。

应用本发明进行了两种c型独立液货罐y型接头的疲劳筛分(如图1、图2)：

①以某双耳罐y型接头的有限元模型如图1所示，材料使用x8ni9钢材，板厚t＝16mm，所以板厚修正系数ft＝1.0，压力p作用下y型接头最大主应力s(p)＝665mpa，疲劳评估点如图1所示，在该点处的垂荡压力p＝0.45mpa，蒸汽压力p0＝0.35mpa，设计寿命期间内装卸货总次数nt＝1000，液货罐疲劳累积损伤允许值cw＝0.5，对应10^-8概率的y型接头处垂荡压力范围δp＝0.07mpa，

按照本发明，对于双耳罐运用疲劳筛分准则：

满足疲劳筛分准则所以不需要进行详细的疲劳评估。

②以某三耳罐y型接头的有限元模型如图2所示，材料使用x8ni9钢材，板厚t＝19mm，所以板厚修正系数ft＝1.0，压力p作用下y型接头处最大主应力s(p)＝593mpa，疲劳评估点如图2所示，在该点处的垂荡压力p＝0.49mpa，蒸汽压力p0＝0.35mpa，设计寿命期间内装卸货总次数nt＝1000，液货罐疲劳累积损伤允许值ds＝0.5，对应10^-8概率的y型接头处垂荡压力范围δp＝0.10mpa。

按照本发明，对于三耳罐运用疲劳筛分准则得：

满足疲劳筛分准则所以不需要进行详细的疲劳评估。

通过实际的疲劳计算结果(如表1所示)可知：双耳罐的累积疲劳损伤d＝0.07，三耳罐的d＝0.05，两者的累积损伤均小于0.5，不会发生疲劳破坏。证明本文提出的疲劳筛分准则是可行的。

表1d值计算

对筛分准则作如下处理：

(1)保持变量μk＝0.7不变，取网格系数k为变量，得到图3a所示的关于δp和变量k的曲线图。

(2)保持网格系数k＝1.2不变，取变量μk为变量，得到图3b所示的关于δp和变量μk的曲线图。

由图3可见，网格系数k对敏度影响较大，变量μk对敏度影响较小。

就两罐和三罐实例，采用筛分原则和精确的疲劳损伤方法的计算结果与许用值得比值。结果表明筛分方法具有较高的精度。

假定条件如下：

①罐体处于弹性状态，压力和应力成比例；

②空载时罐体载荷为零，因此接头处应力为零；

③接头处精细网格应力/细网格应力＝1.2：1.即k＝1.2；(注：实际为1.0～1.1，此处偏保守地取1.2)

④μk＝0.7(注：实船计算表明，μk＜0.5)；

⑤不计平均应力对应力设计范围的影响。

推导过程如下：

由假设①，按弹性等比原则得，

即：

其中p——总压力，mpa；

p0——蒸汽压力，mpa；

s(p)——压力p作用下y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力，

取自罐体y型接头有限元细网格计算结果mpa；

s(p0)——压力p0作用下y型接头垂直于焊缝方向的最大主应力，mpa；

结合假设②，得低周疲劳的细网格对应的应力范围δsh,l：

结合假设③和⑤，推得精细网格的低周疲劳热点应力范围δsd,l

其中ft——板厚修正系数，按下式计算：

ft＝1.0当t≤22时；

当t＞22时；

由s-n曲线得低周疲劳损伤：

其中nt——设计寿命期间内装卸货总次数，如nt小于1000，则取1000.

令疲劳累积损伤允许值为cw，高周疲劳的累积损伤dh为：

由weibull函数的累积损伤积分公式得：

其中:nd——船舶在20年营运期间的载荷循环次数，取0.65×10⁸；

nl——载荷谱回复周期的循环次数，取为100；

δsd——高周热点应力范围上限；

αk——装载工况“k”的时间分配系数，此处取为0.45；

ζk——weibull形状参数，取1.0；

m——s-n曲线反斜率，取为3；

k——s-n曲线中d曲线参数,取1.52×10¹²；

——完全gamma函数值。取6。

由假定④，μk＝0.7

得：

以上是针对精细网格，由假设③和⑤，得动压力产生的细网格的最大应力范围：

再由弹性等比原则得：

即：

由于δsh是对应10^-2概率，对于10^-8概率的垂荡动压力变化范围δp：

式中：

cw——液货罐疲劳累积损伤允许值，按igc规则，可达处取0.5；不可达处取0.1；

δph——10^-2概率的垂荡动压力变化范围；

δp——10^-8概率的垂荡动压力变化范围，按下式计算：

对于双体罐：

对于三体罐：

式中：αz——z方向的无因次加速度；

r——液货罐单罐的半径，mm；

ρ——液货密度，kg/m³；

z——疲劳计算点的z坐标；

θ——底罐与顶罐圆心连线之间的夹角，弧度。

注：如果式(1)小于零，表明y型接头可能发生低周疲劳，需要进行详细的疲劳评估。