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1、 國立臺灣大學工學院工程科學及海洋工程學系 碩士論文 Department of Engineering Science and Ocean Engineering College of Engineering National Taiwan University Master Thesis 以共同結構規範分析雙層船殼油輪疲勞強度之研究 Study on Fatigue Strength of Oil Tanker According to Common Structural Rules 謝靜如 Jing-Ru Hsieh 指導教授：李雅榮 博士 Advisor: Ya-Jung Lee, P
2、h.D. 中華民國 99 年 6 月 June, 2010 誌 謝 大學畢業進入研究所才深刻體會兩者的差異，也有一段期間茫然失措，承蒙恩 師李雅榮教授在課業上不厭其煩且細心的指導，並在精神上給予諸多的鼓勵，讓 我能克服難題，找到方向並且順利完成學業及論文。在此致上我最深的感謝，謝 謝老師這兩年來的指導與照顧! 在口試期間，感謝張長根組長、周志明課長、張博超教授、林輝政教授，百忙 中還抽空閱讀論文初稿，並在口試使給予寶貴的意見與指導，讓我受益匪淺並能 發現自己不足之處。 論文研究期間 ， 承蒙中國驗船中心張長根組長在共同結構規範及疲勞分析方面 的解惑及指導，黃建樺學長在有限元素軟體的使用上給予許
3、多指導，以及台船應 志強工程師的大力協助，是我完成本篇論文最想要感謝的人。此外還要感謝王昭 男老師及陳重盛老師平日在 meeting 時，在研究上給予的諸多指導與寶貴的意見。 在研究所就學期間，育禔學長、正有學長、綺芳、冠志、舜涵、昱傑等結構實 驗室的成員們，不論是在課業或生活上對我都照顧有加，在這段期間都能夠互相 幫忙，並且熱心的參予討論，有他們的幫助讓我能夠順利的完成論文及研究所的 學業。 最後，我要將這些微的成果獻給我最愛的家人，一路以來有你們一直的照顧、 支持及包容，讓我能夠無後顧之憂的去完成我的論文，而你們也是我完成這篇論 文最大的動力。這些所有，我會謹記在心，在此致上我最衷心的感謝
4、，也謝謝所 有曾經幫助、陪伴過我的人，謝謝有你們讓我能夠順利完成我的論文。 2010年7月8號結構實驗室 I 中文摘要 近年來，油輪結構損傷的事件時有所聞，因此各船級協會及船廠對於船體構 件的疲勞強度逐漸重視。經調查顯示，船體結構在長期各種變動負荷的作用下， 產生疲勞龜裂等現象，而無法維持其原有的強度。又因船舶輕量化的緣故，高張 力鋼廣泛使用，使疲勞方面的課題更趨重要。 共同結構規範是由 IACS(International Association of Classification Societies)所 制定，目前 IACS 有十個國家的船級協會加入，吸取各方經驗並制定出法規，不但 能提升
5、船舶在海上的安全性，也能使法規更有一致性。 本文介紹一般疲勞分析方法及共同結構規範之疲勞分析方法。依據共同結構 規範之疲勞分析方法，以一艘四萬噸的油輪為分析對象，並利用法國驗船協會所 開發之 VeriSTAR Hull 程式，配合 FEMAP 有限元素分析軟體，進行船體的疲勞強 度分析。包括船體運動、船體負荷、有限元素分析、船體長期應力分佈，並根據 累積損傷法則(Miners damage rule)計算船體疲勞壽命。而後針對計算結果，嘗試 改變應力集中處的結構來降低應力集中的現象，以提升船體疲勞壽命。 II Abstract Recently, the damage of oil tanke
6、rs have happened frequently. Therefore, classification societies and shipyards show increasing concern about the fatigue strength of the ships structure components. Data from investigation show that fatigue damage of ship structures are caused by stress range on structure members under long-term cha
7、ngeable wave loads. Because of increasing need for ship lightening, the high tensile steel is being widely used, broadening the risks of fatigue damage. The study of fatigue is hence becoming crucial and the knowledge is widely needed. Common Structural Rules (CSR) is formulated by IACS (Internation
8、al Association of Classification Societies). IACS has ten members, which are ten national classification societies. They absorb experience from all quarters and establish the regulations. They not only promote the marine security of ships, but also ensure the consistency of the rules. The general fa
9、tigue analysis method and CSR fatigue analysis method are introduced in this article. Based on the CSR fatigue analysis method, a 40000 DWT Oil Tanker is taken as the analysis object. The fatigue strength of the ship is analyzed by using the software - VeriSTAR(developed by BV), in combination with
10、finite element analysis software -FEMAP. Analysis includes the ship motion, the ship hull loads, the finite element analysis, long-term distribution of stress, and estimates the fatigue life by cumulative damage rule (Miners damage rule). The aim of this study is to attempt to reduce the stress of h
11、ot spots by modifying the structure, and promote the fatigue life of the ship. III 目錄 中文摘要.I Abstract. II 目錄III 圖目錄.V 表目錄.VII 第章 緒論1 1.1 前言.1 1.2 研究動機 .2 1.3 分析方法 .2 1.4 文獻回顧 .3 第章 疲勞分析方法.5 2.1 正規頻譜分析法.5 2.1.1 應力反應函數2 .5 2.1.3 疲勞損傷法則.7 2.2 簡易計算法7 2.3 波浪負荷計算9 2.3.1 耐航性能分析2 .9 2.3.2 海洋波之波浪頻譜10 2.3.3 短
12、期分佈.14 2.3.4 長期分佈.16 2.4 結構分析及疲勞壽命計算.17 第章 共同結構規範之疲勞分析方法18 3.1 船體運動及加速度18 3.1.1 船體運動18 IV 3.1.2 船體加速度20 3.2 船體負荷 .22 3.2.1 動態波浪彎矩.22 3.2.2 動態波浪壓力.24 3.2.3 動態艙壓.28 3.3 船體應力 31 3.4 S-N 曲線 35 3.5 疲勞壽命計算.41 第章 實例分析 45 4.1 軟體簡介 45 4.2 船體有限元素模型建立 .46 4.2.1 船型基本資料設定.46 4.2.2 元素特性(property)設定及元素分割47 4.2.3 邊
13、界條件.52 4.3 船體負荷及反應計算53 4.3.1 動態波浪壓力53 4.3.2 動態艙壓.55 4.3.3 應力評估57 4.4 疲勞壽命計算65 第章 結論與展望.67 5.1 結論67 5.2 展望69 參考文獻72 V 圖目錄 圖 -1 耐航性能分析流程圖29 圖 -2 海洋波之組成 .13 圖 -3 海洋波之頻譜 13 圖 -1 船體運動座標系18 圖 -2 波浪彎矩沿船長之分佈係數 .24 圖 -3 疲勞分析之動態壓力分佈27 圖 -4 垂向加速度產生之動態艙壓 28 圖 -5 橫向加速度產生之動態艙壓 29 圖 -6 縱向加速度產生之動態艙壓 30 圖 -7 船體各部位之腐
14、蝕餘裕34 圖 -8 S-N 曲線38 圖 -9 機率密度函數圖42 圖 -1 船型基本資料設定.46 圖 -2 一般佈置圖.47 圖 -3 property 設定.48 圖 -4 球形鋼之圖示 49 圖 -5 very fine mesh 之範圍.50 圖 -6 very fine mesh 範圍內之板厚51 圖 -7 共同結構規範之邊界條件.52 圖 -8 模型之邊界條件52 圖 -9 滿載情況下之動態波浪壓力分佈(Seaport).53 圖 -10 滿載情況下之動態波浪壓力分佈(Seastar)54 VI 圖 -11 壓載情況下之動態壓力分佈圖(Seaport)54 圖 -12 壓載情況
15、下之動態壓力分佈圖(Seastar)55 圖 -13 由垂向加速度造成之動態艙壓分佈.56 圖 -14 由橫向加速度造成之動態艙壓分佈.56 圖 -15 由縱向加速度造成之動態艙壓分佈.57 圖 -16 應力集中點示意圖58 圖 -17 內插求應力集中點之應力示意圖.58 圖 -18(滿載)動態波浪壓力作用於有細網格的船側之應力分佈59 圖 -19(滿載)動態波浪壓力作用於有細網格的船側之應力分佈(放大) 59 圖 -20(滿載)動態波浪壓力作用於無細網格的船側之應力分佈60 圖 -21 艙壓作用下之應力分佈(縱向加速度).60 圖 -22 艙壓作用下之應力分佈(橫向加速度).61 圖 -23
16、 艙壓作用下之應力分佈(垂向加速度)61 圖 -24 (壓載)動態波浪壓力作用於有細網格的船側之應力分佈62 圖 -25 (壓載)動態波浪壓力作用於無細網格的船側之應力分佈62 圖 -26 單位 horizontal bending moment .63 圖 -27 單位 vertical bending moment 63 圖 -1 應力釋放孔之位置.68 圖 -2 應力釋放孔.68 圖 -3 bracket 位置示意圖.70 圖 -4 縮短 bracket 之示意圖70 VII 表目錄 表 -1 船體運動之參數20 表 -2 不同負荷及裝載情況所產生之應力階的描述 .31 表 -3 “Old”U.K. HSE Basic Design S-N Curves.37 表 -4 S-N 曲線之描述.39 表 -5 (續)S-N 曲線之描述.40 表 -1 疲勞壽命計算結果65 表 -1 疲勞壽命計算結果(應力釋放孔).69 1 第章 緒論 1.
