三十万吨大型油轮结构关键节点的疲劳强度分析

摘要

随着中国经济近些年来的迅猛发展，中国已经成为世界上第二大石油消耗国。而中国自产的原油，早已无法满足日益增长的能源消耗。这就意味着，在相当长的一段时间内，中国必须依靠进口原油来满足国内的需求。而海外的石油基本都是通过油船由海上运入国内的，因此国内包括国际航运，需要大量油船，特别是三十万吨级左右的超大型油轮。 由于大型油轮的船体非常庞大，因此如何保证它的船体结构强度是设计此类船型的难点。而结构关键节点的疲劳强度又是难点中的难点。目前三十万吨超大型油轮在国内的自主研发尚处于起步阶段，对此类大型油轮的疲劳研究更是少之又少。本论文正是在此背景下，针对大型油轮疲劳强度这一难点，通过有限元计算，对船体疲劳关键节点进行深入地研究，找出较好的节点结构形式，用以指导今后的设计。此外，本论文的疲劳强度计算中基于即将生效的双壳油船结构共同规范(JTP)的疲劳指导文件进行的，目的在于研究新规范生效对船体的疲劳有哪些新的影响。 所谓疲劳，是指船体在低频交变载荷的长时间循坏作用下，出现破损裂缝——疲劳裂缝。论文首先分析三十万吨大型油轮在海上可能受到的各种交变载荷，包括舷外海水的波动压力以及舱内液货的波动压力等，以及分析计算这些载荷的方法。 然后，论文将分析确定油轮船体结构中最容易出现疲劳破损的关键节点。在船体结构当中，承受较大交变载荷的高应力区域，构件连接部位的应力集中区域，最有可能被疲劳破坏。论文将找出这些重点区域，并对其中最关键的节点进行疲劳分析。 接下来，论文叙述了如何进行疲劳计算的历程。船体结构的疲劳计算，通常需要三维有限元分析。论文介绍了疲劳分析所应用的基本原理以及所用的方法。 船体结构的疲劳强度通常用结构所受到的应力以及应力作用下的疲劳寿命来表示。因此疲劳分析首先要计算出船体在交变载荷作用下的应力。目前国际上流行的计算疲劳应力的方法，主要是通过计算机三维有限元软件，模拟船体在波浪中的受力模型，计算出船体的交变应力。本论文所应用的软件，为美国MSC公司出品的PATRAN三维分析软件。该软件已在造船界得到广泛的应用。计算出疲劳应力后，再通过S-N曲线及Palmgren-Miner线性累积损伤理论，校核船体的疲劳强度并计算船体的疲劳寿命。 最后，论文进行了一个详细的疲劳实例计算，并对结果加以分析。通过改变船体关键节点的结构形式,找到能改善节点疲劳强度的相对较好的结构形式，用以指导今后的实船设计。