基于HCSR的热点应力插值方法研究

第４２卷第５期　２０１３年ｌ０月　船海工程　ＳＨＩＰ＆０ＣＥＡＮ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖｏ１．４２　Ｎｏ．５　０ｃｔ．２０１３　

ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７９５３．２０１３．０５．０１６　

基于ＨＣＳＲ的热点应力插值方法研究　

刘亮，任慧龙，汪蔷，孙士艳　

（哈尔滨工程大学船舶与海洋工程力学研究所，哈尔滨１５０００１）　

摘要：针对《散货船、油船协调共同规范》（ＨＣＳＲ）中的疲劳热点应力插值方法，总结７种不同的插值方　

式，通过对简化的实体单元和壳体单元模型的分析以及实船模型新旧规范的对比，验证了ＨＣＳＲ中插值方法　

的合理性，并对两个版本的ＨＣＳＲ方法进行比较。　

关键词：ＨＣＳＲ，插值方式，壳体模型，实体模型，实船模型　

中图分类号：Ｕ６６１．４３　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７１－７９５３（２０１３）０５－００６３－０６　

由于工作环境的原因，疲劳破坏是船舶结构　

破坏的主要破坏形式之一。各船级社的疲劳损伤　

计算方法以及现有的直接计算法，均基于Ｍｉｎｅｒ　

线性疲劳损伤理论。由于船体结构比较复杂，常　

常不能在已有的Ｓ—Ｎ曲线中找到可直接比拟的　

类型，此时需要采用热点应力法来进行这些部位　

的疲劳评估。热点处的应力一般采用插值方法进　

行计算，由于热点区域应力梯度比较大，不同的插　

值方式求得的热点应力值会不一样，而且可能会　

有很大的差别，对疲劳损伤产生很大影响。新公　

布的《散货船、油船协调共同规范》（ＨＣＳＲ）中对　

应力插值方式做了更细致的要求。本文将对已知　

的一些插值方法，包括ＪＩＰ　ＦＰＳＯ、ＯＳＡＷＡ、ＣＳＲ—　

ＯＴ、ＣＳＲ—ＢＣ、ＤＮＶ、ＨＣＳＲ（２０１２—０７月版本和　

ｌ２月版本）方法以及实体结构进行研究比较，验　

证ＨＣＳＲ插值方式的合理性。　

１　热点应力插值方法简介　

１）ＪＩＰ　ＦＰＳＯ—Ａ方法。ＪＩＰ　ＦＰＳＯ—Ａ代表一般　

方法，应力阅读点取两个点（０．５　ｔ和１．５　ｔ），利用　

表面应力线性外插到热点处，选取４－４５。范围内的　

主应力。　

２）ＪＩＰ　ＦＰＳＯ—Ｂ方法。代表简化方法，应力阅　

读点只取一个点（０．５　ｔ）¨　。　

３）ＤＮＶ方法。对于一般热点采用插值方式　

收稿日期：２０１３—０３—２７　

修回日期：２０１３—０４—１４　

第一作者简介：刘亮（１９８９一），男，硕士生　

研究方向：船舶与海洋结构物波浪载荷与结构强度　

Ｅ・ｍａｉｌ：ｌｉｕｌｉａｎｇｃｈｂ＠１６３．ｅｏｍ　同ＪＩＰ　ＦＰＳ—Ａ方法。对于十字相交位置，插值方　

式是ＤＮＶ　ＣＮ３０．７　Ｍｅｔｈｏｄ（Ｌｏｔｓｂｅｒｇ方法）。应力　

阅读点为　

ｔ１　ｉｎ　亨＋Ｘｗｔ　

式中：　——焊脚长度。　

热点应力计算方法为　

ｏｒｈ。ｔ　ｐ。ｔ＝［ｏｒ　ｂ　（　ｈｉｎ）＋ｏｒｂ　ｄｉ　（　ｈｉｎ）］×０．６　

（１）　

式中：ｏｒ　（　）——偏移位置的中面应力；　

０ｒｂ　（　）——偏移位置的弯曲应力；　

——修正因子　。　

４）ＣＳＲ—ＯＴ方法。热点应力位于　

Ｘ　ｓｈｉｆｔ＝　

其中：　——焊脚长　。　

５）ＣＳＲ—ＢＣ方法。一般热点插值方式同ＪＩＰ　

ＦＰＳＯ—Ａ，散货船的加强板十字连接是在ＪＩＰ　ＦＰＳＯ　

—Ａ方法基础上加一个修正系数Ａ　ｊ。　

６）ＨＣＳＲ方法。对于一般热点，应力参考点　

取为据热点　／２处，对于十字相交位置与ＤＮＶ　

方法一样，只是ＪＢ系数不一样。应力阅读点为　

ｈｉｆｌ＝　８　十　

热点应力计算方法为　

ｈｎｌ　ｐ０ｔ＝［　ｂ　（　ｈｉｎ）＋　ｂ　ｎｃ¨　ｇ（　ｈｉｎ）］ｘ０．６卢　

（２）　

ＨＣＳＲ　０７月版本和１２月版本的应力读取差　

别如下。　

７月版本应力读取方式见图１，选取线Ａ—　

两边的单元分别计算；１２月版本的规范规定应力　

６３　第５期　船海工程　第４２卷　

表６正常压载模式下插值计算结果　

表７正常压载模式下计算结果与ＣＳＲ比值　通过比较发现，对于油船十字相交结构，　

ＪＩＰ　ＦＰＳＯ—Ａ、ＪＩＰ　ＦＰＳＯ—Ｂ以及ＯＳＡＷＡ方法计　

算结果与ＣＳＲ相比计算结果较大，这与上一节　

简单模型计算结果相符合；其中ＪＩＰ　ＦＰＳＯ—Ａ　

计算结果超过ＣＳＲ方法０．８倍，而对于ＤＮＶ、　

ＨＣＳＲ方法计算结果要小于ＣＳＲ方法，其中　

ＤＮＶ方法更加接近ＣＳＲ方法，而ＨＣＳＲ方法要　

小１０％。　

３．２．２散货船计算结果　

散货船肋板趾端在４个装载模式下的计算结　

果见表８，底边舱下折角结构计算结果以及比值　

见表９。其它插值方法与ＣＳＲ比值的平均结果见　

表１０。以下计算结果均为与焊缝垂直线±４５度　

范围内的主应力计算结果，且大部分为主应力中　

的较大者，其中十字相交结构均匀装载模式为　

－４－４５。范围外的主应力比较大。　

表８焊趾结构４个装载模式下计算结果　

对比计算数据发现，对于散货船焊趾结构，由　

于计算方法的相同性，ＪＩＰ　ＦＰＳＯ—Ａ、ＤＮＶ以及　

ＣＳＲ方法的计算结果相同；其它插值方式总体小　

于焊趾结构，个别工况下比ＣＳＲ计算结果偏大，　

其中ＯＳＡＷＡ方法与其结果比较接近，而ＨＣＳＲ　

的两种计算方法比ＣＳＲ方法计算要小超过１０％。　

对于十字相交结构，ＪＩＰ　ＦＰＳＯ—Ｂ方法和ＯＳＡＷＡ　

方法计算结果相对比较接近ＣＳＲ方法，而ＪＩＰ　ＰＦ　

Ｓ０一Ａ方法要超过ＣＳＲ方法２５％，而ＤＮＶ和ＨＣ—　

ＳＲ方法计算结果要小于ＣＳＲ方法，且差别较大。　

６６　３．３统一到Ｄ级Ｓ—Ｎ曲线后的结果　

由于特定的插值方法跟特定的Ｓ—Ｎ曲线对　

应，所以单纯主应力比较不能反映插值对疲劳的　

影响，本节将对ＤＮＶ方法、ＨＣＳＲ方法（分为７月　

版和１２月版）、实体插值方法（ＩＩＷ方法）统一到　

Ｄ级Ｓ—Ｎ曲线进行比较。表１１为将一组Ｓ—Ｎ　

曲线统一到Ｄ级Ｓ—Ｎ曲线上的类型系数　Ｊ。表　

１２为油船底边舱下折角统一到Ｄ级Ｓ—Ｎ曲线后　

结果，表１３为散货船热点类型统一到Ｄ级Ｓ—Ｎ　

曲线后的结果。

　基于ＨＣＳＲ的热点应力插值方法研究——刘亮，任慧龙，汪蔷，孙士艳　

表９十字相交结构四个装载模式下计算结果　

表１Ｏ　比值平均计算结果　

类型系数０．６４　０．７６　１．００　１．１４　１．３４　１．５２　１．８３　２．５４　

注：／－ＩＣＳＲ统一到Ｄ曲线选用系数为１．１２。　

表１２油船十字相交结构计算结果　

表１３散货船两种结构计算结果　

统一到Ｄ级ｓ—Ｎ曲线后，计算结果显示　

ＨＣＳＲ方法要高于ＤＮＶ方法，但是计算结果要小　于ＣＳＲ方法，２０１２—０７月版本结果要更接近于　

ＣＳＲ方法；对于油船两个版本的ＨＣＳＲ方法计算　

结果相差很小，但是各个装载模式下各个设计波　

计算结果显示２０１２—１２月版本计算结果要小于　

２０１２—０７月版本；而对于散货船，从各个装载模　

式及工况下２０１２—１２月版本计算结果要小于　

２０１２—０７月版本，但是两者计算结果偏差较大，　

对于焊趾类型，平均计算结果ｌ２月版本要小９．　

５６％，十字相交结构要小５．９０％。　

４　结论　

１）通过简单模型计算结果看出，ＪＩＰ　ＦＰＳＯ—Ａ、　

ＪＩＰ　ＦＰＳＯ—Ｂ计算结果与其它插值方式差别较大，　

而各个船级社方法差别不大，尤其是当统一到一条　

Ｓ—Ｎ曲线后结果更为接近；船级社规范插值方法　

尤其是ＨＣＳＲ方法与实体单元计算结果更为接近。　

２）实船计算结果与简单模型计算结果趋势　

一致，ＨＣＳＲ方法计算结果均小于ＣＳＲ方法，平均　

小１８％，而且统一到一条Ｓ—Ｎ曲线后结果比较　

接近，但是结果仍小于ＣＳＲ方法，平均小８．６％，　

所以旧的规范法方法更保守。　

３）对于简单模型，两个版本的ＨＣＳＲ方法差　

别较大，但是对于复杂受力状态的实际船舶来说，　

两者计算结果差别不大，ＨＣＳＲ２０１２—１２月版本　

（下转第７２页）　

６７　第５期　船海工程　第４２卷　

工的方便性，将分段划分改为以前后横舱壁为单　

位，并以横舱壁为基准面进行分段装配，横舱壁存　

各平台处为连续构造，见图ｌ２。　中纵桁材　２７Ｏ　

图１２现燃油舱结构形式　

改善后的优点体现如下：①由于分段数量由　

８个减少为４个，因此吊耳数量、吊机及定盘的占　

用时间会相应地减少；②减少焊接的工作量；③减　

少脚手架的搭设数量；④减少了横舱壁与各平台　

间的密性试验的工作量。　

３　结束语　

超大型集装箱船在南通申远川崎船舶工程有　限公司为首次建造，根据现有的建造计划，采用半　

串联的方式连续建造，工期非常紧张，任何一艘船　

的计划如不能按期推进，都会影响到其它后续船　

的顺利建造。因此，针对该船的特点、技术难点、　

工艺难点等事先做好充分的研讨，有针对性地制　

定行之有效的措施，显得尤为重要。　

参考文献　

［１］初艳玲．超大型集装箱船结构强度规范校核及有限　

元分析［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，２００８．　

［２］张鼎，黄小平，丁仕风，等．大型集装箱船高强度钢　

甲板裂纹缺陷的安全寿命评估［Ｃ］∥纪念徐秉汉院　

士船舶与海洋结构力学学术会议论文集，无锡：中国　

造船工程学会，中国钢结构学会，中国船舶重工集团　

第７０２研究所，２０１１．　

［３］魏莉洁．船舶建造工艺［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工程大　

学出版社，２００６．　

Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｍｅｇａ　Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　Ｓｈｉｐ　

ＱＵ　Ｒｏｎｇ・ｚｅ，ＰＡＮ　Ｚｈｉ－ｙｕａｎ，ＺＨＡＩ　Ｙａ－ｊｕｎ　

（Ｎａｎｔｏｎｇ　ＣＯＳＣＯ　ＫＨＩ　Ｓｈｉｐ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ　Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｎａｎｔｏｎｇ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２２６００５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｆｕｌｌ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ｖｅｓｓｅｌ，ｔｈｅ　

ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　１３　０００　ＴＥＵ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ｓｈｉｐ　ｗａｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｓｔｅｅｌ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｗｅｌｄｉｎｇ　

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｅｔｃ．ｗａｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ　ｏｎ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ｖｅｓｓｅｌ；ｐｒｏｃｅｓｓ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｗｅｌｄｉｎｇ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　

（上接第６７页）　

计算结果均小于７月版本，平均小５．５％。　

４）对于ＪＩＰ　ＦＰＳＯ—Ｂ方法以及ＯＳＡＷＡ方法，　

对于十字相交结构其计算结果高于ＣＳＲ方法，而　

焊趾结构计算结果要小于ＣＳＲ方法；而ＤＮＶ方　

法与ＨＣＳＲ方法计算结果比较接近。　

参考文献　

Ｓｔｅｐｈａｎｉｅ　Ｍａｈｅｒａｕｈ—Ｍｏｕｇｉｎ，Ｂｕｒｅａｕ　Ｖｅｒｉｔａｓ．Ｄｅｓｃｒｉｐ—　

ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｏｔ　ｓｐｏｔ　ｓｔｒｅｓｓ　ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ［Ｒ］．　Ｄ　Ｖ．２Ｏｌ０．　［２］ＢＡＬ　Ｇ．ｂｅｒｇａｎ．Ｆａｔｉｇｕｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｈｉｐ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　

［Ｍ］．ＤＮＶ，２０１０．　

［３］中国船级社．双壳油船共同结构规范［ｓ］．北京：人民　

交通出版社，２００６．　［４］中国船级社．船体结构疲劳强度指南［ｓ］．中国船级