一种确定船舶结构在组合载荷作用下长期疲劳寿命的方法与流程

本发明涉及船舶设计与建造过程中船舶结构疲劳分析领域，具体涉及船舶结构在两种组合载荷作用下疲劳损伤寿命的确定方法。
背景技术：
：疲劳是指材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。长期处于交变环境载荷作用下的结构物大多存在疲劳损伤问题，疲劳损伤度d及疲劳寿命tf是用来描述结构物疲劳特性的常用参数。s-n曲线是进行疲劳损伤计算的基本公式，其反应的是应力范围s和在该应力范围水平的单一循环载荷作用下结构达到疲劳破坏所需要的循环次数n之间的关系。结构的疲劳寿命评估，其本质均是基于s-n曲线进行的。实际工程中，较多情况下都需要对两种长期分布的单一应力过程进行疲劳分析，常用方法有简单相加法、载荷叠加法、等幅载荷法等。简单叠加法计算过程简单直接，但其计算结果通常偏于危险；等幅载荷法计算结果通常较为保守，且应用过程较为复杂；等幅载荷法基于两个单一过程的疲劳损伤及平均上跨零率，并未考虑载荷间的大小关系，计算结果可靠性难以估计。因此，针对两种应力范围长期分布的组合载荷疲劳损伤计算，并没有高效又绝对可靠的计算方法。简化疲劳分析方法常用于求解单一载荷作用下的长期疲劳累积损伤，双窄带法常用于求解两种组合载荷作用下的短期疲劳累积损伤。技术实现要素：为解决上述问题，本发明提供一种确定船舶结构在组合载荷作用下长期疲劳寿命的方法，以达到船舶结构在两种单一载荷的组合作用下，确定其长期疲劳寿命的目的，其所采用的技术方案是：有两种单一载荷，两种所述单一载荷分别是低频载荷和高频载荷，确定船舶结构在两种单一载荷组合作用下长期疲劳寿命的步骤如下：s1：根据图纸建立船舶的有限元模型，结合s-n曲线，确定、选用一条s-n曲线和航线环境数据。s2：在s1的基础上，运用abs船级社的疲劳计算软件，计算出高频载荷应力过程均值s1，标准差σ1，平均上跨零率v1：1)通过abs船级社的疲劳计算软件(sfa软件)，可直接输出高频载荷疲劳损伤值dw，高频载荷应力范围长期威布尔分布的形状参数γw，与nrw超越概率水平对应的应力范围值srw、总循环次数nw；2)由下式求得威布尔分布的比例参数δw：3)根据求得的δw和直接输出的γw，可得到高频载荷应力范围sw的长期威布尔分布：进而根据威布尔性质，可得到高频载荷应力过程均值s1：4)由下式求得高频应力范围长期分布的标准差σ1：5)由下式可求得高频应力范围的平均上跨零率v1：s3：在s1的基础上，低频载荷应力过程均值s2，标准差σ2，平均上跨零率v2计算过程如下：1)采用npd风速谱进行风载疲劳分析，通过谐响应分析处理风速谱得到结构的应力谱；应力幅值的应力谱：式中，hl(f)为谐响应分析得到的应力响应函数函数；su(f)为风速谱。其中，风速谱：式中，z，海平面以上的高度；u0，海平面以上10m处的1小时平均风速。2)利用应力幅值的应力谱可得到短期应力过程的跨零率：式中，m2、m0分别为应力谱的2阶矩和0阶矩。3)考虑各个风速、各个风向角出现的联合概率p(u0i，θi)，可得到长期低频应力分布的平均上跨零率v2v2＝∑f0i·p(u0i，θi)4)低频载荷短期应力范围sl0服从rayleigh分布：式中，sl0为低频短期应力范围；σl0为低频应力范围sl0的标准差。5)通过对所有短期应力范围分布函数离散化处理，计算得到长期应力范围分布的平均值s2和标准差σ2：式中，sl0(m)为离散化后，按照从小到大排序的第m个应力范围值；nl0(m)为所有短期工况中sl0(m)出现的总次数。s4：根据s2、s3中确定的值计算出组合应力范围均值sc、组合标准差σc和组合平均上跨零率vc；sc＝s1+s2式中，k1、k2为中间参数，s5：通过组合应力范围均值sc和组合标准差σc计算出组合应力过程的威布尔分布参数γc、δc，并确定组合应力过程带宽的疲劳损伤修正因子β；s6：以简化疲劳分析方法为基础，结合s1中确定的s-n曲线，得出船舶结构的疲劳损伤度d：式中：γc，组合应力过程威布尔分布的形状参数；δc，组合应力过程威布尔分布的比例参数；vc，组合应力过程的平均上跨零率；m、a，s-n曲线参数；β，组合应力过程带宽的疲劳损伤修正因子；s7：根据船舶结构的疲劳损伤度确定船舶结构的疲劳寿命tftf＝t/d式中：t，疲劳损伤工况所占的时间。上述的一种确定船舶结构在组合载荷作用下长期疲劳寿命的方法，优选地，s1中确定的s-n曲线是e曲线。上述的一种确定船舶结构在组合载荷作用下长期疲劳寿命的方法，优选地，s1中所述的航线环境数据是北大西洋航线的海洋环境数据。上述的一种确定船舶结构在组合载荷作用下长期疲劳寿命的方法，优选地，两种所述单一载荷满足的条件是，单一作用下应力范围的长期分布服从双参数威布尔分布，并且对船舶结构产生的影响相互独立。上述的一种确定船舶结构在组合载荷作用下长期疲劳寿命的方法，优选地，所述船舶结构是风帆基座或风帆桅杆。上述的一种确定船舶结构在组合载荷作用下长期疲劳寿命的方法，优选地，所述高频载荷是波浪载荷，所述低频载荷是风载荷。上述的一种确定船舶结构在组合载荷作用下长期疲劳寿命的方法，优选地，所述组合载荷长期疲劳损伤是两种所述单一载荷长期疲劳损伤的和。本发明所采用的技术方案，可用于确定船舶任何结构在两种单一载荷作用下的长期疲劳损伤度，可直接对船舶结构在两种单一载荷作用下的长期疲劳损伤进行计算，并最终确认船舶结构在两种单一载荷组合作用下的疲劳寿命。简化了疲劳分析的过程，同时保证计算结果具有较高的可靠性。附图说明图1是风载荷应力过程示意图；图2是波浪载荷应力过程示意图；图3是两种载荷组合应力过程示意图；图4是风帆基座4个测试位置，图中所标示的数字分别是1-热点1、2-热点2、3-热点3、4-热点4；图5是图4中a-a视角结构示意图；图6是桅杆结构示意图；图7是图6中a-a视角结构示意图，图中所标示的数字分别是1-热点1、2-热点2、3-热点3、4-热点4；图8是帆面结构示意图，图中所标示的数字分别是1-热点1、2-热点2；图9是图8中a-a视角结构示意图。具体实施方式实施例1装有风帆结构的大型油船，在风载荷、波浪载荷的组合作用下，确定风帆基座长期疲劳寿命。其中，风载荷为低频载荷，波浪载荷为高频载荷。如图4、5所示，所述风帆基座为圆形，选取风帆基座的4个肘板趾端作为测试点，进行疲劳寿命分析。s1：根据图纸建立船舶的有限元模型，选定s-n曲线中的e曲线，采用北大西洋航线的海洋环境数据作为航线环境数据。s2：在s1的基础上，运用abs船级社的疲劳计算软件，计算出高频载荷应力过程均值s1，标准差σ1，平均上跨零率v1。s3：在s1的基础上，采用npd风速谱进行风载疲劳分析，通过谐响应分析处理风速谱得到结构的应力谱，计算得到低频载荷应力过程均值s2，标准差σ2，平均上跨零率v2。s2和s3过程中计算结果如表1所示表1s4：根据s2、s3中确定的值计算出组合应力范围均值sc、组合标准差σc和组合平均上跨零率vc。s5：通过组合应力范围均值sc和组合标准差σc计算出组合应力过程的威布尔分布参数γc、δc，并确定组合应力过程带宽的疲劳损伤修正因子β。s6：以简化疲劳分析方法为基础，结合e曲线，得出船舶结构的疲劳损伤度d。s7：根据船舶结构的疲劳损伤度确定船舶结构的疲劳寿命tf，根据tf＝t/d，可以得到结构的疲劳寿命。结果如表2所示：执占本发明方法/year直接相加法/year等幅载荷法/year热点111.3012.787.01热点218.5226.598.19热点311.0012.136.56热点424.3332.249.63如表2所示，将直接计算法和等幅载荷法的计算结果与本发明方法进行对比，可以看出本发明方法结果介于二者之间，说明了本方法的有效性和可靠性。实施例2装有风帆结构的大型油船，在风载荷、波浪载荷的组合作用下，确定桅杆底部长期疲劳寿命。其中，风载荷为低频载荷，波浪载荷为高频载荷。如图6、7、8所示，所述桅杆为方形柱体，选取桅杆底部与肘板相连接的4个位置作为测试点，进行疲劳寿命分析。s1：根据图纸建立船舶的有限元模型，选定s-n曲线中的e曲线，采用北大西洋航线的海洋环境数据作为航线环境数据。s2：在s1的基础上，运用abs船级社的疲劳计算软件，计算出高频载荷应力过程均值s1，标准差σ1，平均上跨零率v1。s3：在s1的基础上，采用npd风速谱进行风载疲劳分析，通过谐响应分析处理风速谱得到结构的应力谱，计算得到低频载荷应力过程均值s2，标准差σ2，平均上跨零率v2。s2和s3过程中计算结果如表3所示。表3s4：根据s2、s3中确定的值计算出组合应力范围均值sc、组合标准差σc和组合平均上跨零率vc。s5：通过组合应力范围均值sc和组合标准差σc计算出组合应力过程的威布尔分布参数γc、δc，并确定组合应力过程带宽的疲劳损伤修正因子β。s6：以简化疲劳分析方法为基础，结合e曲线，得出船舶结构的疲劳损伤度d。s7：根据船舶结构的疲劳损伤度确定船舶结构的疲劳寿命tf，根据tf＝t/d，可以得到结构的疲劳寿命。结果如表4所示：表4如表4所示，将直接计算法和等幅载荷法的计算结果与本发明方法进行对比，可以看出本发明方法结果介于二者之间，说明了本方法的有效性和可靠性。实施例3装有风帆结构的大型油船，在风载荷、波浪载荷的组合作用下，确定最底层帆面顶端长期疲劳寿命。其中，风载荷为低频载荷，波浪载荷为高频载荷。如图8、9所示，所述帆面内部布置有桁架支撑结构，选取帆面顶端2个靠近骨架处的帆面位置作为测试点，进行疲劳寿命分析。s1：根据图纸建立船舶的有限元模型，选定s-n曲线中的e曲线，采用北大西洋航线的海洋环境数据作为航线环境数据。s2：在s1的基础上，运用abs船级社的疲劳计算软件，计算出高频载荷应力过程均值s1，标准差σ1，平均上跨零率v1。s3：在s1的基础上，采用npd风速谱进行风载疲劳分析，通过谐响应分析处理风速谱得到结构的应力谱，计算得到低频载荷应力过程均值s2，标准差σ2，平均上跨零率v2。s2和s3过程中计算结果如表5所示。热点本发明方法直接相加法等幅载荷法热点127.6328.8121.32热点217.0517.9314.31表5s4：根据s2、s3中确定的值计算出组合应力范围均值sc、组合标准差σc和组合平均上跨零率vc。s5：通过组合应力范围均值sc和组合标准差σc计算出组合应力过程的威布尔分布参数γc、δc，并确定组合应力过程带宽的疲劳损伤修正因子β。s6：以简化疲劳分析方法为基础，结合e曲线，得出船舶结构的疲劳损伤度d。s7：根据船舶结构的疲劳损伤度确定船舶结构的疲劳寿命tf，根据tf＝t/d，可以得到结构的疲劳寿命。结果如表6所示：热点本发明方法/year直接相加法/year等幅载荷法/year热点127.6328.8121.32热点217.0517.9314.31表6如表6所示，将直接计算法和等幅载荷法的计算结果与本发明方法进行对比，可以看出本发明方法结果介于二者之间，说明了本方法的有效性和可靠性。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。当前第1页12