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船舶结构低周疲劳问题综述 摘要：传统的船舶结构疲劳强度分析主要围绕高周疲劳展开而忽略了低周疲劳，直至最近海损事故的发生以及船舶结构的大型化发展才引起船舶行业对低周疲劳问题的重视。本文是针对船舶结构低周疲劳问题的综述，首先分析了引起船舶结构低周疲劳的原因以及何种船型、何种结构节点易发生低周疲劳；其次，总结低周疲劳强度计算方法，确定疲劳强度分析流程，以解决低周疲劳强度评估准则问题；最后分析船舶结构低周疲劳尚未解决的问题。 关键词：低周疲劳 船舶工程 S-N曲线 断裂力学 1引言 自从Manson-Coffin曲线提出以后，低周疲劳理论逐渐发展起来。低周疲劳是指循环次数小于次，以高应变、低循环寿命为特点的疲劳。近年来发生的海损事故使研究人员逐渐意识到由于装卸载状态变化引起的低周疲劳损伤会严重影响大型船舶结构强度，导致船舶结构发生塑性破坏而产生宏观裂纹，裂纹在疲劳应力作用下不断扩展直至引发船舶结构断裂。本文首先分析了引起船舶结构低周疲劳的原因以及何种船型、何种结构节点易发生低周疲劳；其次，总结低周疲劳强度计算方法，确定疲劳强度分析流程，以解决低周疲劳强度评估准则问题；最后分析船舶结构低周疲劳尚未解决的问题。 2船舶结构低周疲劳起因及易发船型 2.1船舶结构低周疲劳的起因分析 船舶结构承受的载荷是随时间变化的，DNV在疲劳指南中描述了不同应力范围下典型低周疲劳载荷-时间历程，得出引起低周疲劳的两种主要组合装载条件为满载-压载装载工况组合和极端装载工况组合。同时疲劳指南给出波浪中不同船型导致低周疲劳断裂装载条件时间分配，如表1所示。从表中可以看出，载荷工况变化较多且差别较大是引起低周疲劳的主要条件。 表1导致低周疲劳断裂的装载条件时间分配表 装载条件 船型 满载-压载装载 极端装载 工况组合 工况组合 油船（≥120000DWT） 0.90 0.10 油船（＜120000DWT） 0.85 0.15 化学品油 0.80 0.20 LNG船 1.00 0.00 LPG船 0.85 0.15 散货船 0.90 0.10 矿砂船 0.85 0.15 短程集装箱船 1.00 0.00 2.2易发生低周疲劳船型 表2 不同船型满载-压载装载工况时间分配表 船型 满载 压载 散货船 0.50 0.35 集装箱船 0.65 0.20 油 轮 0.45 0.40 从表2中可以看出，油船满载和压载分配时间相当，集装箱船主要为满载工况，散货船介于两者之间。低周疲劳是由高应力幅引起的，就船型而言，油轮受低周疲劳影响较大，散货船次之，集装箱船受低周疲劳影响最小。在船舶结构不连续处和焊接引起的损伤和裂缝由于较高的应力幅会产生低周疲劳。 3低周疲劳强度计算方法及评估流程 疲劳破坏过程一般可分成三个阶段：裂纹的萌生、扩展及断裂。评估低周疲劳强度的方法有很多，从不同的角度可以将其划分为不同的类型。本文将其分为传统的S-N曲线法、断裂力学法和损伤力学法。 3.1 S-N曲线法 S-N曲线法在船舶工程中得到广泛应用，使用S与N之间的关系表示结构的疲劳强度，S与N之间的关系是通过对试件进行疲劳试验得到的。疲劳强度分析中常用的中值S-N曲线表达式为 （1） m和A为与材料性能有关的参数。低周疲劳是应变疲劳,S-N曲线采用应变一循环寿命的形式表达。对于船舶结构设计,习惯采用应力形式,为了得到适于船舶工程的应力S-N曲线表达式, DNV将高周疲劳S-N曲线在低寿命区外推的方法得到低周疲劳寿命： 。（2） 在外推之后,得到的低周疲劳应力幅需进行塑性修正,因此采用此方法得到的低周疲劳S-N曲线进行疲劳强度校核时,准确性依赖于塑性修正程度的准确性。采用DNV高周疲劳S-N曲线外推法低估了钢材应力和塑性应变之间的非线