2024年5月20日发(作者：弥芊芊)

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４７卷第４期（总第１７５期）　中　国　造　船　

Ｖｏ１．４７　Ｎｏ．４（￣ｒｉａｌ　Ｎｏ．１７５）　

２００６年１２月　

ＳＨＩＰＢＵＩＬＤＩＮＧ　０Ｆ　ＣＨＩＮＡ　

Ｄｅｃ．２００６　

文章编号：１０００～４８８２（２００６）０４—０１０１—０５　

８５３０ＴＥＵ集装箱船船舯上甲板角隅疲劳寿命预估　

余小川　，　唐永生　，　李润培　，　杜忠仁　

（１．沪东中华造船（集团）有限公司，上海２００１２９；２．上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海２０００３０）　

摘　要　

选择沪东中华造船（集团）有限公司即将建造的８５３０ＴＥＵ集装箱船船舯Ｎｏ．５货舱区上甲板角隅为分析　

对象，采用半概率的设计波法，分另４计算得到在１Ｏ　超越概率下满载状态和压载状态时该角隅边缘最大应力　

范围；然后根据挪威船级社规范，基于Ｓ－Ｎ曲线和Ｐａｌｍｇｒｅｎ—Ｍｉｎｅｒ线性累积损伤理论计算该角隅的疲劳累　

积损伤度，并进行了疲劳寿命预估；最后，讨论了不同波浪散布图的选取对该角隅疲劳寿命计算的影响。　

关　键　词：船舶、舰船工程；舱口角隅；疲劳寿命；设计波法　

中图分类号：Ｕ６６３．６　文献标识码：Ａ　

１　引　言　

取一相位，分别计算得到１０　超越概率下满载状　

态和压载状态时该角隅边缘的热点应力，从而确　

货舱区甲板大开口是集装箱船的主要特征之　

定各装载状态下的最大应力范围，然后基于Ｓ—Ｎ　

一

。

这使得船体水平弯曲、扭转效应、横向强度在　

曲线和Ｐａｌｍｇｒｅｎ—Ｍｉｎｅｒ线性累计损伤理论对该　

总强度中所占的比例明显上升，舱口角隅处也会　

角隅进行疲劳寿命预估。最后，讨论了选用不同海　

产生明显的应力集中。因此，除了考虑弯扭强度　

域散布图对该节点疲劳寿命计算结果的影响。　

外，通常还要对其疲劳强度进行评估。　

ＩＳＳＣ曾对某一巴拿马型集装箱船的舱口角　

２疲劳寿命预估方法　

隅节点的疲劳寿命进行过比较研究，结果表明，其　

范围为１．８年～２０．７年。此后，进一步基于谱分　

假设船体结构长期应力服从Ｗｅｉｂｕｌ１分布，　

析法和长期波浪载荷预报对该节点的疲劳寿命进　

且用单直线形式的Ｓ—Ｎ曲线表示，则船体结构的　

行预报，结果为５．６年［】］。对谱分析中的几项参数　

疲劳累积损伤度可根据下式计算［４　

Ｎ　

研究表明，不同海况对疲劳寿命的影响是很明显　

一

的。此外，船舶航行的环境条件，如海域、不同海况　

Ｄ：　∑加：：ｌＩ、（１＋　）≤　（１）　

出现的概率以及航速变化等因素对节点疲劳寿命　

式中Ｄ为平均累积损伤度，且Ｄ一／—）ｓ＿ｔ－／一Ｊｅ

，

其　

的计算结果也有影响Ｌ２　］。研究还表明，理论计算　

中　和Ｄ，分别为左舷、右舷损伤度；Ｔｄ为以秒　

的疲劳寿命通常都比实际情况的低许多，原因在　

计算的设计寿命，设计寿命２０年对应取值为６．３　

于疲劳载荷计算中忽略了许多不确定因素［２］。　

×１０　；Ｎ　为装载状态数，本文中为２，即满载状　

本文选择即将建造的８５３０ＴＥＵ集装箱船船　

态和压载状态；Ｐ　为每个装载状态所占船舶服役　

舯Ｎｏ．５货舱区角隅作为分析对象，在整船粗网　

期时间的比值，满载状态和压载状态的比值分别　

格有限元模型中直接对该处角隅进行网格细化，　

取为０．６５和０．２０；ｑ　为Ｗｅｉｂｕｌ１分布尺度参数，　

采用半概率的设计波法，选择四种典型波浪载荷　

作为设计载荷，并且在一个波浪周期内每隔３０。　

且　一　；Ｉ、（１＋　）为伽马函数，其中　

收稿日期：２００５—１２－２１　

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中　国　造　船　研究简报　

ｈ　为Ｗｅｉｂｕｌ１分布形状参数，本文中取为０．８５７２，　

ｍ为ｓ—Ｎ曲线参数，取为３．０。　

该船的设计寿命为２０年，则该节点的疲劳寿　

命为　

一　

递函数最大幅值的比值为设计波幅；确定了设计　

波浪参数后，在一个波浪周期内，每隔３０。取一相　

位，计算得到角隅边缘各单元在一个波浪周期内　

的应力曲线，最后得到上甲板角隅边缘的最大应　

力范围Ａａ０。　

一ｊ　

２０　

（２）　

本文采用挪威船级社（ＤＮＶ）的ＳＥＳＡＭ程　

式中　为影响因子，它考虑了腐蚀保护对于疲劳　

寿命的影响，本文中舱口角隅受舱口盖遮蔽不暴　

露在风雨中，因此取为１．０。　

序系统为分析工具，基于三维绕辐射理论计算船　

体波浪载荷。　

式（１）中的最大应力范围Ａａ。的计算是其中　

的关键之一。它由基于设计波法的整船强度分析　

得到，基本步骤是：首先在整船粗网格模型中直接　

建立该角隅区域的细化网格模型；然后在　

０．１ｒａｄ／ｓ￣２．０ｒａｄ／ｓ的波频范围以及０。～１８０。的　

３基于设计波法计算最大应力范围　

３．１舱口角隅位置与细化网格模型　

前期工作中已建立了８５３０ＴＥＵ大型集装箱　

整船结构有限元模型、质量模型和水动力模型［５］。　

图１为细化的舱口角隅的位置示意图，对其进行　

浪向角范围内，经过搜索获得各典型波浪载荷传　

递函数的最大幅值、相应的波频与浪向；再选择相　

应海域的波浪散布图进行１０　概率下的波浪诱　

网格细化，计算中该细化网格模型将直接包括在　

粗网格的整船结构有限元模型中。　

导载荷长期预报，取波浪诱导载荷长期预报与传　

蕾　

图１舱口角隅位置示意图　

图２为该角隅细化网格模型（左舷），共９２３８　

个节点，９９０３个单元。根据文献［６］的建议，细化　

网格模型范围包括：纵向从Ｆｒ１７９一Ｆｒｌ８１，垂向　

右舷结构的细化网格模型沿总纵剖面对称，　

假定梁单元的编号也对称于总纵剖面。　

从舱口围板顶板至二甲板，横向从外板至抗扭箱　

的最外侧纵桁。图３所示分别为上甲板角隅（左　

舷）的细化网格，角隅沿周长方向被均分成１２份，　

且角隅与舱壁连接处网格足够细密以便尽量反映　

热点应力分布的梯度。此外，沿舱口角隅边缘布置　

了假定的梁单元，以方便热点应力的读取。有限元　

网格中，四边形壳单元长宽比不超过４：１，且网　

格边长与板厚ｔ的比例大致为１：１。　

图３　Ｆｒ１８１处上甲板角隅细化网格（左舷）　

３．２装载状态与波浪载荷参数　

根据挪威船级社（ＤＮＶ）规范，装载状态取为　

满载状态和压载状态：满载（ＨＯＭ０８Ｔ—ＡＲＲ）状　

态装载量为８０３６４．８ｔ，满载排水量１１６１６４．８ｔ，满　

载吃水１２．８７３ｍ，船体基本无纵倾；压载（ＢＡＬ—　

ＬＡＳＴ—ＡＲＲ）状态装载量为２０９６６ｔ，压载排水量　

５６７６６．Ｉｔ，压尾吃水９．４５０ｍ，首吃水４．８２３ｍ，船　

中吃水７．２６０ｍ，船体呈尾倾状态。　

考虑到船舶航行在全球海域以及船体结构的　

图２船舯区舱口角隅细化网格模型（左舷）　

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４７卷第４期（总第１７５期）　余小川等：８５３ＯＴＥＵ集装箱船船舯上甲板角隅疲劳寿命预估　１０３　

疲劳破坏主要由中、低波幅的波浪引起，因此选用　８Ｏ。、６Ｏ。、７Ｏ。。须特别指出的是，距船尾Ｌ／４处扭　

全球航行海域的波浪散布图进行结构的疲劳载荷　

矩在浪向角８Ｏ。（波频０．９ｔａｄ・ｓ　）和浪向角７Ｏ。　

预报，求得１Ｏ　超越概率下的长期预报极值，进　（ｔｔ频０．７０ｔａｄ・ｓ　）时均出现极大幅值，且前者　

而确定设计波幅。　

幅值略大于后者幅值，因此分别进行了计算，并记　

分别取距船尾Ｌ／４处、船中和距船首Ｌ／４处　

为ＳＥＣＬ１４￣）和ＳＥＣＬ１４￣。表１和表２分别为满　

的３个截面进行计算。计算结果表明，扭矩传递函　

载状态和压载状态时计算采用的典型波浪参数。　

数在这三个截面处达到极大值时的浪向角分别为　

表１　满载状态时的波浪参数　

３．３最大应力范围Ａａ。的求取　

为设计波ＳＥＣＬ１４￣下的２８６．５ＭＰａ（左舷），且以　

在一个波浪周期（Ｏ。～３６０。）内，每间隔３Ｏ。取　

下的计算表明，该设计波下的平均累积损伤度Ｄ　

一

个相位，求得一个波浪循环内角隅边缘各单元　

也大于设计波ＳＥＣＬ１４￣下的该值。因此，将选择　

的热点应力曲线，从中读取最大应力范围Ａａ。。计　

设计波ＳＥＣＬ１４￣下的最大应力范围Ａａ。进行该　

算结果表明，在设计波浪参数下，满载状态及压载　

角隅的疲劳寿命预估。此外，各装载状态下上甲板　

状态上甲板角隅边缘最大应力范围均出现在距船　角隅边缘的最大应力范围Ａａ。发生的位置（即单　

尾Ｌ／４的截面处。　

元编号）基本位于角隅中点附近，与文献ＥＴ］中结　

由表３可知，满载状态时，最大应力范围Ａａ。　果吻合。　

表３上甲板角隅边缘的最大应力范围Ａａｏ　

４上甲板角隅疲劳寿命预估　

的最大应力范围值后，代入式（１），算得该角隅的　

平均累积损伤度Ｄ为０．７７８，如表４所示。再根据　

得到满载状态和压载状态下上甲板角隅边缘　

式（２）可以得到其疲劳寿命约为２５．６年。结果表　

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１０４　中　国　造　船　研究简报　

明该角隅的设计能够满足该船２Ｏ年的使用要求。　

表４　船舶为２Ｏ年设计寿命下的　

劳校核点的选取提供了依据。获得最大应力范围　

后，即可应用Ｗｅｉｂｕｌ１分布来计算船舶节点的疲　

节点疲劳累积损伤度　

若选择海况更加恶劣的北大西洋波浪散布图　

进行波浪载荷长期预报，对应于满载状态和压载　

状态的设计波高分别为４．４０ｍ、２．９７ｍ，均比选用　

全球航行海域散布图时的设计波高要大。相应的　

最大应力范围也更大。最后计算得到的平均累积　

损伤度Ｄ为１．２８，见表５，相应疲劳寿命约为　

１５．６年，显然比选择全球航行海域散布图时得到　

的值要小得多，由此可见，选用不同波浪散布图对　

节点疲劳寿命计算结果的影响很大。　

表５　选择北大西洋波浪散布图时的　

疲劳累积损伤度　

５　结语　

影响船舶节点疲劳寿命的因素很多，例如航　

行海域、不同海况出现的概率以及航速变化等因　

素，因此要准确预估船舶节点的疲劳寿命确实存　

在很多不确定性因素。　

采用半概率的设计波法经全船有限元分析能　

够更准确地获得最大应力范围Ａａ。，同时可以确　

定应力变化范围最大的热点位置，为舱口角隅疲　

劳寿命。上述方法在实际工程计算中实用而有效。　

若能够计算出对应散布图中各遭遇海况的疲劳累　

积损伤度之和，即采用波浪谱分析法估算节点的　

疲劳寿命，结果将更加符合实际情况，但计算量非　

常大。　

在进行船舶节点疲劳寿命预估时，应当选择　

能够反映船舶实际航行海域的波浪散布图，以便　

使得到的结果更准确。　

参　考　文　献　

１　Ｆｒｉｃｋｅ　Ｗ，Ｃｕｉ　Ｗ，Ｋｉｅｒｋｅｇａａｒｄ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．Ｃｏｍｐａｒａ—　

ｔｉｖｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｓｓｅｓｓｍｅｆｆｔ　ｏｆ　ａ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｔａｉｌ　

ｉｎ　ａ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｈｉｐ　ｕｓｉｎｇ　ｖａｒｉｏｕｓ　ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ　ｏｆ　ｃｌａｓｓｉ—　

ｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｏｃｉｅｔｉｅｓ［Ｊ］．Ｍａｒ．Ｓｔｒｕｃｔ．，２００２，１５（１）：１—　

１３．　

２　Ｋｕｋｋａｎｅｎ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．Ｆａｔｉｇｕｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｂｙ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　

ａｐｐｒｏａｃｈ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＩＳＳＣ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｔｃｈ　

ｃｏｖｅｒ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｐａｄ［Ｊ￣．Ｍａｒ．Ｓｔｒｕｃｔ．２００４，１７（１）：１—　

１３．　

３　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ　ＶＩ．２．Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ａｓｓｅｓｓ—　

ｍｅｎｔ［Ｃ］．１　５ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｈｉｐ　ａｎｄ　Ｏｆｆｓｈｏｒｅ　

Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ，Ｓａｎ　Ｄｉｅｇｏ，ＵＳＡ：２００３．　

４　ＤＮＶ．Ｆａｔｉｇｕｅ　Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｓｈｉｐ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　Ｉｓ］．　

Ｄｅｔ　Ｎｏｒｓｋｅ　Ｖｅｒｉｔａｓ　Ｃｌａｓｓ　Ｎｏｔｅｓ　Ｎｏ．３０．７，２００３．　

５　胡志强，张磊，余ｄｑｉＩ．８５３０ＴＥＵ集装箱船全船弯　

扭强度和舱口角隅疲劳强度分析［Ａ］．上海市造船工　

程学会２００５年学术年会论文［Ｃ］．２００５．　

６　ＤＮＶ．Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｈｕｌｌ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｉｎ　Ｃｏｎ—　

ｔａｉｎｅｒ　Ｓｈｉｐｓ　Ｉｓ］．Ｄｅｔ　Ｎｏｒｓｋｅ　Ｖｅｒｉｔａｓ　Ｃｌａｓｓ　Ｎｏｔｅｓ　

Ｎｏ．３１．７。２００４．　

７　Ｆｒｉｃｋｅ　Ｗ，Ｐｅｔｅｒｓｈａｇｅｎ　Ｈ，Ｐａｅｔｚｏｌｄ　Ｈ．Ｆａｔｇｕｅ　

Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　Ｓｈｉｐ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｐａｒｔ　Ｉ　Ｅｘａｍｐｌｅｓ　Ｇｅｒ—　

ｍａｎｙ［Ｍ］．Ｇｅｒｍａｎｉｃｈｅｒ　Ｌｌｏｙｄ，１９９８．　

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４７卷第４期（总第１７５期）　余小川等：８５３０ＴＥＵ集装箱船船舯上甲板角隅疲劳寿命预估　１０５　

Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｌｉｆｅ　Ｐｒｅｄｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｕｐｐｅｒｄｅｃｋ　Ｈａｔｃｈ　Ｃｏｒｎｅｒｓ　ｉｎ　Ｍｉｄｓｈｉｐ　

Ａｒｅａ　ｏｆ　ａ　８５３０ＴＥＵ　Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　Ｓｈｉｐ　

ＹＵ　Ｘｉａｏ—ｃｈｕａｎ　，ＴＡＮＧ　Ｙｏｎｇ—ｓｈｅｎｇ　，ＬＩ　Ｒｕｎ—ｐｅｉ　，ＤＵ　Ｚｈｏｎｇ—ｒｅｎ　

（１．Ｈｕｄｏｎｇ—Ｚｈｏｎｇｈｕａ　Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００１２９，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｎａｖａｌ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｏｃｅａｎ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　

Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００３０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　

Ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｏｆ　ｕｐｐｅｒｄｅｃｋ　ｈａｔｃｈ　ｃｏｒｎｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｉｄｓｈｉｐ　ｏｆ　ａｎ　８５３０ＴＥＵ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ｓｈｉｐ　ｉｓ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　

ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｈａｔｃｈ　ｃｏｒｎｅｒｓ　ａｔ　Ｎｏ．５　ｃａｒｇｏ　ｈｏｌｄ　ａｒｅ　ｆｉｎｅｌｙ　ｍｅｓｈｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｇｌｏｂａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　

ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｓｔｒｅｓｓ　ｒａｎｇｅｓ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｎ　ｆｕｌｌ　ｌｏａｄｅｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎ　ｂａｌｌａｓｔ　ｌｏａｄｅｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　

ｃａｎ　ｂｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｎｅｗ　ｇｌｏｂａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗａｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ．　

Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ　ｉｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｍｉｎｅｒ　Ｓ　ｒｕｌｅ　ｏｆ　ｌｉｎｅａｒ　ｄａｍａｇｅ　

ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　Ｓ—Ｎ　Ｓ　ｃｕｒｖｅｓ，ａｎｄ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｉｓ　ｐｒｅｄｉｃａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｃａｔ—　

ｔｅｒ　ｄｉａｇｒａｍｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｔａｉｌ　ｉＳ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｐ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｈａｔｃｈ　ｃｏｒｎｅｒ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎ　ｗａｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ　

作者简　介　

余小川男，１９８０　

年生，工程师。主要从事船舶结构设计与强度计算工作。　

唐永生男，１９６５　

年生，高级工程师。主要从事船舶结构设计与研究工作。　

李润培男，１９４０　年生，教授，博士生导师。主要从事船舶结构力学研究工作。　

杜忠仁男，１９３７　

年，高级工程师。主要从事船舶结构设计与研究工作。　

2024年5月20日发(作者：弥芊芊)

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４７卷第４期（总第１７５期）　中　国　造　船　

Ｖｏ１．４７　Ｎｏ．４（￣ｒｉａｌ　Ｎｏ．１７５）　

２００６年１２月　

ＳＨＩＰＢＵＩＬＤＩＮＧ　０Ｆ　ＣＨＩＮＡ　

Ｄｅｃ．２００６　

文章编号：１０００～４８８２（２００６）０４—０１０１—０５　

８５３０ＴＥＵ集装箱船船舯上甲板角隅疲劳寿命预估　

余小川　，　唐永生　，　李润培　，　杜忠仁　

（１．沪东中华造船（集团）有限公司，上海２００１２９；２．上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海２０００３０）　

摘　要　

选择沪东中华造船（集团）有限公司即将建造的８５３０ＴＥＵ集装箱船船舯Ｎｏ．５货舱区上甲板角隅为分析　

对象，采用半概率的设计波法，分另４计算得到在１Ｏ　超越概率下满载状态和压载状态时该角隅边缘最大应力　

范围；然后根据挪威船级社规范，基于Ｓ－Ｎ曲线和Ｐａｌｍｇｒｅｎ—Ｍｉｎｅｒ线性累积损伤理论计算该角隅的疲劳累　

积损伤度，并进行了疲劳寿命预估；最后，讨论了不同波浪散布图的选取对该角隅疲劳寿命计算的影响。　

关　键　词：船舶、舰船工程；舱口角隅；疲劳寿命；设计波法　

中图分类号：Ｕ６６３．６　文献标识码：Ａ　

１　引　言　

取一相位，分别计算得到１０　超越概率下满载状　

态和压载状态时该角隅边缘的热点应力，从而确　

货舱区甲板大开口是集装箱船的主要特征之　

定各装载状态下的最大应力范围，然后基于Ｓ—Ｎ　

一

。

这使得船体水平弯曲、扭转效应、横向强度在　

曲线和Ｐａｌｍｇｒｅｎ—Ｍｉｎｅｒ线性累计损伤理论对该　

总强度中所占的比例明显上升，舱口角隅处也会　

角隅进行疲劳寿命预估。最后，讨论了选用不同海　

产生明显的应力集中。因此，除了考虑弯扭强度　

域散布图对该节点疲劳寿命计算结果的影响。　

外，通常还要对其疲劳强度进行评估。　

ＩＳＳＣ曾对某一巴拿马型集装箱船的舱口角　

２疲劳寿命预估方法　

隅节点的疲劳寿命进行过比较研究，结果表明，其　

范围为１．８年～２０．７年。此后，进一步基于谱分　

假设船体结构长期应力服从Ｗｅｉｂｕｌ１分布，　

析法和长期波浪载荷预报对该节点的疲劳寿命进　

且用单直线形式的Ｓ—Ｎ曲线表示，则船体结构的　

行预报，结果为５．６年［】］。对谱分析中的几项参数　

疲劳累积损伤度可根据下式计算［４　

Ｎ　

研究表明，不同海况对疲劳寿命的影响是很明显　

一

的。此外，船舶航行的环境条件，如海域、不同海况　

Ｄ：　∑加：：ｌＩ、（１＋　）≤　（１）　

出现的概率以及航速变化等因素对节点疲劳寿命　

式中Ｄ为平均累积损伤度，且Ｄ一／—）ｓ＿ｔ－／一Ｊｅ

，

其　

的计算结果也有影响Ｌ２　］。研究还表明，理论计算　

中　和Ｄ，分别为左舷、右舷损伤度；Ｔｄ为以秒　

的疲劳寿命通常都比实际情况的低许多，原因在　

计算的设计寿命，设计寿命２０年对应取值为６．３　

于疲劳载荷计算中忽略了许多不确定因素［２］。　

×１０　；Ｎ　为装载状态数，本文中为２，即满载状　

本文选择即将建造的８５３０ＴＥＵ集装箱船船　

态和压载状态；Ｐ　为每个装载状态所占船舶服役　

舯Ｎｏ．５货舱区角隅作为分析对象，在整船粗网　

期时间的比值，满载状态和压载状态的比值分别　

格有限元模型中直接对该处角隅进行网格细化，　

取为０．６５和０．２０；ｑ　为Ｗｅｉｂｕｌ１分布尺度参数，　

采用半概率的设计波法，选择四种典型波浪载荷　

作为设计载荷，并且在一个波浪周期内每隔３０。　

且　一　；Ｉ、（１＋　）为伽马函数，其中　

收稿日期：２００５—１２－２１　

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中　国　造　船　研究简报　

ｈ　为Ｗｅｉｂｕｌ１分布形状参数，本文中取为０．８５７２，　

ｍ为ｓ—Ｎ曲线参数，取为３．０。　

该船的设计寿命为２０年，则该节点的疲劳寿　

命为　

一　

递函数最大幅值的比值为设计波幅；确定了设计　

波浪参数后，在一个波浪周期内，每隔３０。取一相　

位，计算得到角隅边缘各单元在一个波浪周期内　

的应力曲线，最后得到上甲板角隅边缘的最大应　

力范围Ａａ０。　

一ｊ　

２０　

（２）　

本文采用挪威船级社（ＤＮＶ）的ＳＥＳＡＭ程　

式中　为影响因子，它考虑了腐蚀保护对于疲劳　

寿命的影响，本文中舱口角隅受舱口盖遮蔽不暴　

露在风雨中，因此取为１．０。　

序系统为分析工具，基于三维绕辐射理论计算船　

体波浪载荷。　

式（１）中的最大应力范围Ａａ。的计算是其中　

的关键之一。它由基于设计波法的整船强度分析　

得到，基本步骤是：首先在整船粗网格模型中直接　

建立该角隅区域的细化网格模型；然后在　

０．１ｒａｄ／ｓ￣２．０ｒａｄ／ｓ的波频范围以及０。～１８０。的　

３基于设计波法计算最大应力范围　

３．１舱口角隅位置与细化网格模型　

前期工作中已建立了８５３０ＴＥＵ大型集装箱　

整船结构有限元模型、质量模型和水动力模型［５］。　

图１为细化的舱口角隅的位置示意图，对其进行　

浪向角范围内，经过搜索获得各典型波浪载荷传　

递函数的最大幅值、相应的波频与浪向；再选择相　

应海域的波浪散布图进行１０　概率下的波浪诱　

网格细化，计算中该细化网格模型将直接包括在　

粗网格的整船结构有限元模型中。　

导载荷长期预报，取波浪诱导载荷长期预报与传　

蕾　

图１舱口角隅位置示意图　

图２为该角隅细化网格模型（左舷），共９２３８　

个节点，９９０３个单元。根据文献［６］的建议，细化　

网格模型范围包括：纵向从Ｆｒ１７９一Ｆｒｌ８１，垂向　

右舷结构的细化网格模型沿总纵剖面对称，　

假定梁单元的编号也对称于总纵剖面。　

从舱口围板顶板至二甲板，横向从外板至抗扭箱　

的最外侧纵桁。图３所示分别为上甲板角隅（左　

舷）的细化网格，角隅沿周长方向被均分成１２份，　

且角隅与舱壁连接处网格足够细密以便尽量反映　

热点应力分布的梯度。此外，沿舱口角隅边缘布置　

了假定的梁单元，以方便热点应力的读取。有限元　

网格中，四边形壳单元长宽比不超过４：１，且网　

格边长与板厚ｔ的比例大致为１：１。　

图３　Ｆｒ１８１处上甲板角隅细化网格（左舷）　

３．２装载状态与波浪载荷参数　

根据挪威船级社（ＤＮＶ）规范，装载状态取为　

满载状态和压载状态：满载（ＨＯＭ０８Ｔ—ＡＲＲ）状　

态装载量为８０３６４．８ｔ，满载排水量１１６１６４．８ｔ，满　

载吃水１２．８７３ｍ，船体基本无纵倾；压载（ＢＡＬ—　

ＬＡＳＴ—ＡＲＲ）状态装载量为２０９６６ｔ，压载排水量　

５６７６６．Ｉｔ，压尾吃水９．４５０ｍ，首吃水４．８２３ｍ，船　

中吃水７．２６０ｍ，船体呈尾倾状态。　

考虑到船舶航行在全球海域以及船体结构的　

图２船舯区舱口角隅细化网格模型（左舷）　

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４７卷第４期（总第１７５期）　余小川等：８５３ＯＴＥＵ集装箱船船舯上甲板角隅疲劳寿命预估　１０３　

疲劳破坏主要由中、低波幅的波浪引起，因此选用　８Ｏ。、６Ｏ。、７Ｏ。。须特别指出的是，距船尾Ｌ／４处扭　

全球航行海域的波浪散布图进行结构的疲劳载荷　

矩在浪向角８Ｏ。（波频０．９ｔａｄ・ｓ　）和浪向角７Ｏ。　

预报，求得１Ｏ　超越概率下的长期预报极值，进　（ｔｔ频０．７０ｔａｄ・ｓ　）时均出现极大幅值，且前者　

而确定设计波幅。　

幅值略大于后者幅值，因此分别进行了计算，并记　

分别取距船尾Ｌ／４处、船中和距船首Ｌ／４处　

为ＳＥＣＬ１４￣）和ＳＥＣＬ１４￣。表１和表２分别为满　

的３个截面进行计算。计算结果表明，扭矩传递函　

载状态和压载状态时计算采用的典型波浪参数。　

数在这三个截面处达到极大值时的浪向角分别为　

表１　满载状态时的波浪参数　

３．３最大应力范围Ａａ。的求取　

为设计波ＳＥＣＬ１４￣下的２８６．５ＭＰａ（左舷），且以　

在一个波浪周期（Ｏ。～３６０。）内，每间隔３Ｏ。取　

下的计算表明，该设计波下的平均累积损伤度Ｄ　

一

个相位，求得一个波浪循环内角隅边缘各单元　

也大于设计波ＳＥＣＬ１４￣下的该值。因此，将选择　

的热点应力曲线，从中读取最大应力范围Ａａ。。计　

设计波ＳＥＣＬ１４￣下的最大应力范围Ａａ。进行该　

算结果表明，在设计波浪参数下，满载状态及压载　

角隅的疲劳寿命预估。此外，各装载状态下上甲板　

状态上甲板角隅边缘最大应力范围均出现在距船　角隅边缘的最大应力范围Ａａ。发生的位置（即单　

尾Ｌ／４的截面处。　

元编号）基本位于角隅中点附近，与文献ＥＴ］中结　

由表３可知，满载状态时，最大应力范围Ａａ。　果吻合。　

表３上甲板角隅边缘的最大应力范围Ａａｏ　

４上甲板角隅疲劳寿命预估　

的最大应力范围值后，代入式（１），算得该角隅的　

平均累积损伤度Ｄ为０．７７８，如表４所示。再根据　

得到满载状态和压载状态下上甲板角隅边缘　

式（２）可以得到其疲劳寿命约为２５．６年。结果表　

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１０４　中　国　造　船　研究简报　

明该角隅的设计能够满足该船２Ｏ年的使用要求。　

表４　船舶为２Ｏ年设计寿命下的　

劳校核点的选取提供了依据。获得最大应力范围　

后，即可应用Ｗｅｉｂｕｌ１分布来计算船舶节点的疲　

节点疲劳累积损伤度　

若选择海况更加恶劣的北大西洋波浪散布图　

进行波浪载荷长期预报，对应于满载状态和压载　

状态的设计波高分别为４．４０ｍ、２．９７ｍ，均比选用　

全球航行海域散布图时的设计波高要大。相应的　

最大应力范围也更大。最后计算得到的平均累积　

损伤度Ｄ为１．２８，见表５，相应疲劳寿命约为　

１５．６年，显然比选择全球航行海域散布图时得到　

的值要小得多，由此可见，选用不同波浪散布图对　

节点疲劳寿命计算结果的影响很大。　

表５　选择北大西洋波浪散布图时的　

疲劳累积损伤度　

５　结语　

影响船舶节点疲劳寿命的因素很多，例如航　

行海域、不同海况出现的概率以及航速变化等因　

素，因此要准确预估船舶节点的疲劳寿命确实存　

在很多不确定性因素。　

采用半概率的设计波法经全船有限元分析能　

够更准确地获得最大应力范围Ａａ。，同时可以确　

定应力变化范围最大的热点位置，为舱口角隅疲　

劳寿命。上述方法在实际工程计算中实用而有效。　

若能够计算出对应散布图中各遭遇海况的疲劳累　

积损伤度之和，即采用波浪谱分析法估算节点的　

疲劳寿命，结果将更加符合实际情况，但计算量非　

常大。　

在进行船舶节点疲劳寿命预估时，应当选择　

能够反映船舶实际航行海域的波浪散布图，以便　

使得到的结果更准确。　

参　考　文　献　

１　Ｆｒｉｃｋｅ　Ｗ，Ｃｕｉ　Ｗ，Ｋｉｅｒｋｅｇａａｒｄ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．Ｃｏｍｐａｒａ—　

ｔｉｖｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｓｓｅｓｓｍｅｆｆｔ　ｏｆ　ａ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｔａｉｌ　

ｉｎ　ａ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｈｉｐ　ｕｓｉｎｇ　ｖａｒｉｏｕｓ　ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ　ｏｆ　ｃｌａｓｓｉ—　

ｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｏｃｉｅｔｉｅｓ［Ｊ］．Ｍａｒ．Ｓｔｒｕｃｔ．，２００２，１５（１）：１—　

１３．　

２　Ｋｕｋｋａｎｅｎ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．Ｆａｔｉｇｕｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｂｙ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　

ａｐｐｒｏａｃｈ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＩＳＳＣ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｔｃｈ　

ｃｏｖｅｒ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｐａｄ［Ｊ￣．Ｍａｒ．Ｓｔｒｕｃｔ．２００４，１７（１）：１—　

１３．　

３　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ　ＶＩ．２．Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ａｓｓｅｓｓ—　

ｍｅｎｔ［Ｃ］．１　５ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｈｉｐ　ａｎｄ　Ｏｆｆｓｈｏｒｅ　

Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ，Ｓａｎ　Ｄｉｅｇｏ，ＵＳＡ：２００３．　

４　ＤＮＶ．Ｆａｔｉｇｕｅ　Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｓｈｉｐ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　Ｉｓ］．　

Ｄｅｔ　Ｎｏｒｓｋｅ　Ｖｅｒｉｔａｓ　Ｃｌａｓｓ　Ｎｏｔｅｓ　Ｎｏ．３０．７，２００３．　

５　胡志强，张磊，余ｄｑｉＩ．８５３０ＴＥＵ集装箱船全船弯　

扭强度和舱口角隅疲劳强度分析［Ａ］．上海市造船工　

程学会２００５年学术年会论文［Ｃ］．２００５．　

６　ＤＮＶ．Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｈｕｌｌ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｉｎ　Ｃｏｎ—　

ｔａｉｎｅｒ　Ｓｈｉｐｓ　Ｉｓ］．Ｄｅｔ　Ｎｏｒｓｋｅ　Ｖｅｒｉｔａｓ　Ｃｌａｓｓ　Ｎｏｔｅｓ　

Ｎｏ．３１．７。２００４．　

７　Ｆｒｉｃｋｅ　Ｗ，Ｐｅｔｅｒｓｈａｇｅｎ　Ｈ，Ｐａｅｔｚｏｌｄ　Ｈ．Ｆａｔｇｕｅ　

Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　Ｓｈｉｐ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｐａｒｔ　Ｉ　Ｅｘａｍｐｌｅｓ　Ｇｅｒ—　

ｍａｎｙ［Ｍ］．Ｇｅｒｍａｎｉｃｈｅｒ　Ｌｌｏｙｄ，１９９８．　

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４７卷第４期（总第１７５期）　余小川等：８５３０ＴＥＵ集装箱船船舯上甲板角隅疲劳寿命预估　１０５　

Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｌｉｆｅ　Ｐｒｅｄｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｕｐｐｅｒｄｅｃｋ　Ｈａｔｃｈ　Ｃｏｒｎｅｒｓ　ｉｎ　Ｍｉｄｓｈｉｐ　

Ａｒｅａ　ｏｆ　ａ　８５３０ＴＥＵ　Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　Ｓｈｉｐ　

ＹＵ　Ｘｉａｏ—ｃｈｕａｎ　，ＴＡＮＧ　Ｙｏｎｇ—ｓｈｅｎｇ　，ＬＩ　Ｒｕｎ—ｐｅｉ　，ＤＵ　Ｚｈｏｎｇ—ｒｅｎ　

（１．Ｈｕｄｏｎｇ—Ｚｈｏｎｇｈｕａ　Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００１２９，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｎａｖａｌ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｏｃｅａｎ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　

Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００３０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　

Ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｏｆ　ｕｐｐｅｒｄｅｃｋ　ｈａｔｃｈ　ｃｏｒｎｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｉｄｓｈｉｐ　ｏｆ　ａｎ　８５３０ＴＥＵ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ｓｈｉｐ　ｉｓ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　

ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｈａｔｃｈ　ｃｏｒｎｅｒｓ　ａｔ　Ｎｏ．５　ｃａｒｇｏ　ｈｏｌｄ　ａｒｅ　ｆｉｎｅｌｙ　ｍｅｓｈｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｇｌｏｂａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　

ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｓｔｒｅｓｓ　ｒａｎｇｅｓ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｎ　ｆｕｌｌ　ｌｏａｄｅｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎ　ｂａｌｌａｓｔ　ｌｏａｄｅｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　

ｃａｎ　ｂｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｎｅｗ　ｇｌｏｂａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗａｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ．　

Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ　ｉｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｍｉｎｅｒ　Ｓ　ｒｕｌｅ　ｏｆ　ｌｉｎｅａｒ　ｄａｍａｇｅ　

ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　Ｓ—Ｎ　Ｓ　ｃｕｒｖｅｓ，ａｎｄ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｉｓ　ｐｒｅｄｉｃａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｃａｔ—　

ｔｅｒ　ｄｉａｇｒａｍｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｔａｉｌ　ｉＳ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｐ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｈａｔｃｈ　ｃｏｒｎｅｒ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎ　ｗａｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ　

作者简　介　

余小川男，１９８０　

年生，工程师。主要从事船舶结构设计与强度计算工作。　

唐永生男，１９６５　

年生，高级工程师。主要从事船舶结构设计与研究工作。　

李润培男，１９４０　年生，教授，博士生导师。主要从事船舶结构力学研究工作。　

杜忠仁男，１９３７　

年，高级工程师。主要从事船舶结构设计与研究工作。