15万吨级穿梭油轮结构疲劳强度分析与优化.pdf
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1、第4 5 卷第2 1 期2023年1 1 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.21Nov.,202315万吨级穿梭油轮结构疲劳强度分析与优化许东方,苏宇,叶步永(舟山中远海运重工有限公司,浙江舟山31 6 1 31)摘要:结构疲劳校核是船舶设计研发过程中的重要一环。本文以一艘满足DNV船级社CSA-FLS2人级符号要求的1 5 万吨级穿梭油轮结构为研究对象,利用Wasim软件进行波浪载荷线性分析,以确定1 0-2 等效概率水平的设计载荷,用于船舶的分量随机疲劳和全随机疲劳分析,对不满足疲劳年限的结构进行优化设计。本文的疲劳强度分析方法和船体结构的
2、加强优化方案可为同类型船舶的研发提供参考。关键词:线性分析;波浪载荷;疲劳分析;结构优化;CSA-FLS2中图分类号:U663.4文章编号:1 6 7 2-7 6 4 9(2 0 2 3)2 1-0 0 0 8-0 5Structural fatigue strength evaluation of 150000T shuttle tanker(COSCO Shipping Heavy Industry(Zhou Shan)Co.,Ltd.,Zhoushan 316100,China)Abstract:Structural fatigue checking is an important pa
3、rt of the ship design and development process.This paper takesthe structure of a 150000 ton shuttle tanker that meets the classification symbol requirements of DNV Classification SocietyCSA-FLS2 as the research object,and uses Wasim software to conduct linear analysis of wave loads to determine the
4、designload at the equivalent probability level of 10-2,which is used for component random fatigue and full random fatigue analysisof ships.Optimize the design of structures that do not meet the fatigue life.The fatigue strength analysis method and th-estrengthening and optimization scheme of the hul
5、l structure in this paper can provide reference for the research and develop-ment of similar ships.Key words:liner analysis;wave load;fatigue analysis;structure optimization;CSA-FLS20引言船舶结构的疲劳强度不足,将会导致船舶结构发生破坏的概率增加。各船级社的实船检验报告发现疲劳裂纹已是船舶结构主要破坏形式之一,大型海船长期航行在不规则波浪环境下,船舶结构承受着交变应力,疲劳损坏问题突出。因此船舶设计研发中疲劳寿命预
6、报已成为研究重点,各船级社对结构疲劳破坏问题也开展了深入研究,但方法存在一定差异。大型散货船和油船为了统一在2 0 1 5 年发布了散货船和油船协调共同规范(HSCR),对疲劳计算问题进行了较大修订。HSCR将疲劳动载荷的概率水平由10-4提高到1 0-,并且增添了疲劳筛选评估方法。另外,在Weibull 形状参数、疲劳热点应力插值方法、S-收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 3基金项目:浙江省重点研发计划(2 0 1 7 C0116)作者简介:许东方(1 9 7 8-),男,工程师,研究方向为船舶与海洋工程设计。文献标识码:AXU Dong-fang,SU Yu,YE Bu-yongdoi
7、:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.21.002N曲线的选取以及累积计算方法等也进行了修订1-2 。本文以满足DNV船级社CSA-FLS2人级符号要求的1 5 万吨级穿梭油轮为例,首先对波浪载荷进行分析,再对货舱区结构进行分量随机疲劳和全随机疲劳分析,对不满足疲劳年限的构件进行加强和优化。目前该船已交付船东使用,未收到任何结构疲劳问题反馈。1IDNV船级社CSA-FLS2入级符号要求与疲劳强度校核流程DNV船级社CSA-FLS2人级符号在结构疲劳评估中要求最高,该入级符号要求船舶波浪载荷须通过直接计算方式获取,并用于后续疲劳分析;需对满载和第4 5 卷轻载工况下的货舱
8、区结构进行分量随机疲劳评估和全随机疲劳分析,其疲劳强度分析流程如图1 所示。分量随机疲劳分析是通过舱段模型分析校核纵骨、横剖面和横舱壁连接节点处疲劳强度;全随机疲劳分析是先通过全船结构强度分析筛选出疲劳热点,然后通过疲劳热点细化模型对热点应力进行预报并计算疲劳损伤;疲劳评估载荷根据北大西洋海况确定,且动载荷的概率水平按1 0?选取。水动力分析计算载荷传递舱段有限元计算评估剖面筛选目标剖面分析疲劳损伤评估(a)分量随机疲劳评估流程图1 疲劳评估流程Fig.1Assessment process of fatigue215万吨级穿梭油轮结构疲劳强度校核2.115万吨级穿梭油轮介绍15万吨穿梭油轮是
9、由舟山中远海运重工自主研发及建造的一款绿色节能环保苏伊士型油轮,是目前世界上最大的穿梭油轮,动力定位系统和遥控系统都处于世界领先。该船满足DNV船级社CSA-FLS2人级符号的要求,船型参数如表1 所示。表1 船型主要参数Tab.1 Principal dimension of ship参数数值总长/m278.8型深/m24.9型宽/m47.02.2波浪载荷分析直接波浪载荷分析采用全船结构有限元模型,主要计算重载和轻载2 种工况下的波浪响应,较好质量的船体表面单元模型可使响应结果精度更高。重载和轻载工况中空船重量是一样的,模型通过板厚材质等属性定义并赋予密度再加上必要质量点来实现,模型许东方,
10、等:1 5 万吨级穿梭油轮结构疲劳强度分析与优化水动力分析计算载荷传递全船有限元分析疲劳热点筛选细化有限元分析疲劳损伤计算(b)随机疲劳评估流程参数设计吃水/m服务航速/kn轻载吃水/m9的空船重量重心需和实船一致;压载水和货油装载是通过舱室填充来实现,因此建模时水密分隔要严格按照图纸进行,模型详见图2 和图33。(a)左航视图(b)右视图图2 轻压载工况Fig.2 Light ballast condition(a)左航视图数值(b)右航视图图3重压载工况16.0Fig.3Heavy ballast condition14.51)环境载荷8.5环境载荷根据北大西洋要求,航速是9.6 7 kn
11、(根据设计航速1 4.5 kn的2/3选取),波浪方向从0 360均匀分布,动载荷按1 0-2 概率水平计算,波浪周期5 35 s间隔0.5 s,波高和过零周期发生的概率根据北大西洋散点图表选取4。2)静水弯矩剪力调整WAsim软件中的静水弯矩与装载手册中不同,是10因为装载手册中的垂直弯矩忽略了船舶纵向压力5-0 。Wasim考虑了船体上的所有压力,包括纵向压力。纵向压力将产生弯矩,对弯矩的贡献计算如下式:M=FxIZN.A.-dl。式中:Fx为Wasim计算得到横剖面轴向力;ZN.A.为中和轴高度;d为吃水。Wasim调整后重载工况的静水弯矩和装载手册的静水弯矩对比如图4 所示,Wasim
12、重载工况的静水剪力和装载手册静水剪力对比如图5 所示。垂向静水弯矩对比图2.50E+09ALMU.N/显媒2.00E+091.50E+091.50E+095.00E+080-5.00E+08050100150 200250300距船尾距离/m图4 静水弯矩对比图Fig.4Comparison of still water bending moment垂向静水剪力对比图5.00E+074.00E+07Z3.00E+072.00E+071.00E+070铺-1.0 0 E+072.00E+073.00E+07050100150200250300距船尾距离/m图5 静水剪力对比图Fig.5Compa
13、rison of stillwater shearforce图4 中LM点连成的曲线是装载手册计算结果,Wasimcorrected曲线是利用软件直接计算后去除船舶纵向压力影响计算结果,两者较接近,但考虑船舶纵向压力产生弯矩的计算结果,整体小较多,尤其是船舶中部,这只有通过计算才能得出。Wasim曲线弯矩值将用于后续计算。图5 静水剪力不需要调整,Wasim曲线是直接计算结果,LM点是装载手册计算结果,两者差异不大。3)分析结果和载荷传递通过Wasim软件进行波浪载荷分析,得到的水动力载荷将进一步用于该船的分量随机疲劳分析和全随机疲劳分析,载荷传递是通过软件输出导入有限元计算模型。本文仅输出重
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