杨胜苗（台州市海顺船舶设计有限公司，浙江台州 318000）
浅议利用有限元方法分析船体结构疲劳
杨胜苗
（台州市海顺船舶设计有限公司，浙江台州318000）
【摘 要】船体结构是整个船舶在制造过程中的重点环节，同时也是船员日常维护时所需要注意的关键所在。船舶在海上航行时，海浪对船的作用力及船舶运动产生惯性力，造成船体结构的疲劳损伤，一旦船舶的结构出现了问题，那么船舶的疲劳破坏就会加大，进而对整个船舶的安全性能造成严重的威胁。通过结合一些相关的软件，船舶的设计人员就能够对整个船的疲劳强度的分布情况进行详细的了解，进而更好的针对船舶可能出现的问题进行结构优化，保证遭受疲劳动载荷的船体结构有足够的疲劳寿命。
【关键词】有限元法船体设计结构疲劳
船舶在设计的过程中，主要有两个设计的主流方向，第一是对船舶的尺度形式以及外在功能进行改良和创新，第二就是将高强度钢合理的应用到船舶结构中。为了对船舶设计中的疲劳安全水平进行了解，保障船舶结构在营运时的安全性，就需要对船舶的结构疲劳程度进行分析，以此来降低船舶在日常维修中的成本。有限元法则能够通过软件来对船舶的结构设计进行一个科学的评估。
1 船体结构疲劳的确定
船体结构疲劳是由载荷时间、历程以及载荷所引发的应力共同引起的，因此对船体结构进行疲劳程度确定时，首要步骤是对船体所受荷载的时间、历程进行估算，以此条件有针对的进行演算。一般来说，载荷的时间以及历程分为两种，一种是周期循环的，另一种是随机变化的，依据不同的时间历程来制定不同的曲线形式，这是确定船体疲劳程度的第一环节；然后对船体的载荷进行处理，对于具有周期特性的情况，针对一种工况进行分析就可以，对于随机变化的情况，则通常用简化确定、频域分析以及时域分析的方法进行确定。简化法是掌握其中的一种工况，频域分析法是需要掌握100～1000组工况才能够确定，而时域分析法则是通过长期的观察某一块海域所统计出来的数据为依据，通过相关的转变得到答案。实际上海域受到天气、季节等条件影响的情况较大，因此在通常情况下，会在三种方法上进行一定的改进，以用来克服正态假定过程中的局限性。
2 船体结构疲劳的分析方法
2.1S—N曲线方法
S—N曲线方法可细分为名义、热点以及切口应力法，名义应力又分为局部应力以及焊接点应力，其是导致船体结构疲劳破裂的主要因素，当船体本身的结构与海水相接处时，局部应力也是导致船体腐蚀破裂的重要原因。
2.2断裂力学的分析方法
断裂力学法通常要假定结构中预先存在着初始裂纹，所以最适用于疲劳寿命主要由裂纹扩展阶段所决定的结构和工况。该方法对于确定结构的剩余疲劳寿命以及对建造中业已存在疲劳缺陷的构件疲劳寿命评估具有重要意义。
2.3寿命预测的不确定性
在进行疲劳寿命的预测中海况可能存在以下的一些不确定性，即载荷判定过程，如作用方式、作用区域；应力计算过程；不同疲劳分析方法的选用；对一些深层次影响因素的处理，如平均应力、环境效应、腐蚀等。这些因素通常会导致建模过程中的不确定性，通常对它们的处理是采用安全系数以及一些偏于安全的假定或者采用基于概率理论的可靠性方法。
图1 整体船的有限元模型
3 船体结构发生疲劳区域的判定
其一，交变荷载或者应力；其二平均应力以及残存应力，这两个应力对船舶的影响较大；其三，应力集中，在结构的关键以及突出的部分；其四，材料，高强度钢所制造的构件其也要承担更大的应力，进而更容易发生疲劳；其五，环境条件以及实际营运，实船在营运中的情况是检验疲劳区域最可靠的依据，新的结构往往是最早发生疲劳破坏的，因此在设计中也可以进行实践研究。
4 建模及结果
如图1是整体船的有限元模型，在通关相关的软件进行数据的处理后，可以得到模型仿真后的结果，采用有限元法来对这些区域进行分析，能够更好的掌握其疲劳的数据，为船舶结构疲劳的深入研究起到积极作用。依据相关的规范模型范围应符合下述要求：
（1）纵向范围一般应至少覆盖船中货舱区的1/2个货舱+1个货舱+1/2个货舱长度。
（2）考虑横向波浪载荷的不对称性，应采用全宽模型。
（3）垂向范围应取主船体范围内的所有构件，包括主甲板上的所有主要构件。
5 结语
船体结构的疲劳情况分析是一个较为繁杂的工作，就目前所知道的分析方法主要有两种，一种是谱分析法，另一种就是有限元法。两种方法的应用，不仅为船舶结构的设计带来了全新的改革，还为船舶运输的稳定性以及安全性作出了巨大的贡献。对于通过用有限元法来分析船舶的疲劳强度，其主要应用的软件就是M S C . FATIGUE，该软件能够同时实现MSC.PATRAN以及NASTRAN的高度整合，可以更加完美的解决结构中强度、刚度、动力学、热力学等方面的问题，从而保障了设计单位能够更好的进行船舶产品的设计工作，不仅能够节省大量的设计时间以及设计所需要的资金成本，还能够大大的减少船舶等设计工作的开发周期。
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