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Facultad de Ingeniería Naval, Universidad de Ingeniería de Harbin, Harbin 150001, China
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Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China
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Autor a quien deberá dirigirse la correspondencia.
Presentación recibida: 1 de octubre de 2023 / Revisado: 17 de octubre de 2023 / Aceptado: 19 de octubre de 2023 / Publicado: 30 de octubre de 2023
(Este artículo pertenece al Número Especial Mecánica de Fatiga y Fractura de Estructuras Marinas 2da Edición )
Abstracto
Se sabe que los defectos de soldadura provocan la propagación de grietas y reducen el rendimiento estructural por fatiga. Con base en la teoría de Paris de la mecánica de fracturas, se investigan métodos de evaluación para analizar la propagación de grietas por fatiga mediante la adopción de cargas aleatorias con una distribución a largo plazo que sigue la distribución de Weibull para los rangos de tensión de las cargas de fatiga. Este enfoque se combina con la ecuación del factor de intensidad de tensión correctiva (FIS) y el método para calcular la tensión de referencia y el criterio de fallo. Se selecciona un gran buque portacontenedores para una simulación y se realiza un análisis de propagación de grietas por fatiga en puntos críticos típicos. Se realiza una comparación detallada de la vida útil por fatiga prevista entre la teoría de la mecánica de fracturas y la curva SN. Los resultados indican que los valores de vida útil por fatiga obtenidos con ambos métodos son de la misma magnitud. En general, para la estructura soldada, el valor de vida útil por fatiga obtenido mediante el método de la mecánica de fracturas es menor que el obtenido mediante el método de la curva SN, mientras que, para el borde libre de la estructura y la estructura sin soldar, el valor de vida útil por fatiga previsto es más cercano al previsto mediante el método de la curva SN. Además, se investigó la influencia de los defectos iniciales de grieta en la vida útil por fatiga, y los resultados mostraron que la profundidad de la grieta inicial afecta considerablemente la vida útil por fatiga del buque objetivo en ubicaciones típicas, pero la influencia de la relación de forma en dicha vida es limitada. Por lo tanto, en la construcción naval, controlar la profundidad inicial de la grieta en los componentes es eficaz para limitar la propagación de grietas y mejorar la vida útil por fatiga. Las conclusiones y sugerencias anteriores pueden servir de referencia para el diseño estructural y la evaluación de la vida útil por fatiga de grandes buques portacontenedores.
1. Introducción
La estructura de un barco es un conjunto soldado sustancial, y las operaciones de soldadura a menudo introducen defectos. Simultáneamente, la discontinuidad geométrica en el proceso de construcción naval puede causar una concentración significativa de tensiones, lo que resulta en picos de tensión elevados. Esto significa que siempre se producen grietas por fatiga en los extremos de la punta de la soldadura y la soldadura a tope plana. Cuando los elementos que presentan estas grietas se someten a cargas alternas, incluso si estas son inferiores al límite de resistencia a la fatiga del propio material, las grietas se propagarán rápidamente y se romperán, provocando daños catastróficos [ 1 ].
En particular, para grandes buques portacontenedores con grandes aberturas, coeficientes de bloque pequeños, cambios significativos de perfil y altas velocidades, con el fin de reducir el peso del casco, se utiliza una gran cantidad de acero de alta resistencia en la estructura. La evaluación de la resistencia a la fatiga es extremadamente importante para la seguridad estructural de grandes buques portacontenedores [ 2 ]. Una evaluación de la vida útil de seguridad debe tener la capacidad de predecir y evaluar la seguridad y la vida útil restante de las grietas durante la vida útil de un buque portacontenedores, y para determinar, con base en la inspección científica, un ciclo de mantenimiento basado en los resultados de la evaluación de la vida útil de seguridad de la estructura agrietada. Por lo tanto, para las evaluaciones de seguridad de estructuras de buques con defectos de grietas, es necesario predecir el crecimiento de grietas bajo las cargas ambientales que actúan sobre un buque.
En la evaluación de la fatiga estructural de los buques, el método tradicional de daño acumulativo basado en el método de la curva SN se ha verificado a través de una amplia aplicación en escenarios del mundo real. En los últimos años, el método de mecánica de fracturas ha atraído más atención que el método de daño acumulativo, ya que se consideran tanto la influencia de los defectos geométricos como la precisión de la construcción en la evaluación de la vida útil por fatiga. Bowness y Lee [ 3 ] desarrollaron una fórmula empírica para el coeficiente de amplificación del factor de intensidad de la tensión de grieta bajo tensión de tracción y tensión de flexión en juntas soldadas en T. Han et al. [ 4 ] propusieron un método de cálculo simplificado para evaluar el impacto del factor de intensidad de la tensión de grieta en la superficie de la soldadura de filete, y se reveló la influencia de la profundidad de la grieta y la relación de forma en el factor de intensidad de la tensión. Huang et al. [ 5 , 6 , 7 ] llevaron a cabo una investigación sobre la selección de parámetros del material en el modelo de análisis de propagación de grietas bajo varias cargas de amplitud. Utilizando la teoría de la mecánica de fracturas, se propuso así un modelo de curva de velocidad de propagación única para estructuras de acero marinas. Con base en la teoría de la mecánica de fracturas, Karan et al. [ 8 ] investigaron la propagación de grietas por fatiga en una ubicación típica para un gran petrolero. Feng et al. [ 9 ] estudiaron exhaustivamente el modelo probabilístico y la confiabilidad de la propagación de grietas en placas de casco rigidizadas estructurales. Se utilizó el método de simulación de Monte Carlo para definir el modelo probabilístico. El modelo probabilístico para el tamaño de grieta en una placa rigidizada cambió con el tiempo, actuando como una función dependiente del tiempo bajo diferentes parámetros. Sumi [ 10 ] realizó un análisis de la propagación de grietas por fatiga en la estructura de un barco en condiciones de navegación operativa, y se incluyó un estudio comparativo de los resultados de los cálculos teóricos y los datos experimentales. Yan [ 11 ] et al. compararon el FEA con el método de fórmula empírica para determinar el factor de intensidad de tensión en ubicaciones críticas típicas, y se verificó la efectividad del método de análisis de propagación de grietas por fatiga; este estudio también proporcionó un método de cálculo factible para la evaluación de la resistencia a la fatiga. Utilizando el análisis de elementos finitos, Kong et al. [ 12 ] propusieron una fórmula para calcular el factor de intensidad de tensión para los refuerzos, y se analizaron las características de varias formas estructurales y su influencia en los factores de intensidad de tensión para categorizar las diferentes formas estructurales, pero el método de cálculo para el factor de intensidad de tensión necesitaba ser verificado y analizado más a fondo en barcos reales. Željko et al. [ 13] presentó un método donde se consideró el efecto de las tensiones residuales para predecir la propagación de grietas por fatiga en paneles soldados rigidizados.
En resumen, estos estudios respaldan la viabilidad de predecir la vida útil por fatiga estructural mediante el método de mecánica de fracturas. La mayoría de las investigaciones sobre este método se centran principalmente en el análisis teórico. Sin embargo, el proceso de cálculo del método actual es complejo, lo que dificulta su aplicación práctica y su adopción generalizada en proyectos de ingeniería. Se necesita un método sencillo y práctico para evaluar la vida útil por fatiga a fin de mejorar la viabilidad de las evaluaciones de fatiga en las estructuras del casco.
Con referencia a los resultados de la investigación en la literatura relevante [ 14 , 15 , 16 ], factores tales como defectos iniciales del material, discontinuidades estructurales y desviaciones del proceso de construcción se consideran exhaustivamente y se avanzan para proponer un modelo simplificado de análisis de fatiga y un método de análisis de propagación de grietas que se puede aplicar convenientemente al diseño estructural y la evaluación de la seguridad. Las mejoras en la nueva tecnología de construcción naval hacen que el tamaño inicial de la grieta de soldadura sea controlable en el astillero. El tamaño de la grieta inicial se puede ajustar en función de la precisión de la construcción real del barco y ha recibido la aprobación de las sociedades de clasificación. Por lo tanto, el tamaño y la forma reales de la grieta inicial, que se pueden obtener a través del proceso de construcción e inspección del astillero, son muy importantes para la predicción de la vida útil por fatiga estructural y, en comparación con el método de curva SN convencional, el método de análisis de propagación de grietas basado en la teoría de la mecánica de fracturas que se propone en este documento puede considerar con precisión los factores anteriores.
La evaluación de la vida útil por fatiga y la verificación del análisis de ingeniería se llevaron a cabo en un gran buque portacontenedores, y en este artículo nos centraremos en lo siguiente:
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La respuesta estructural inducida por cargas de olas
El espectro de carga de fatiga de los métodos de mecánica de fractura debe establecerse con la densidad de probabilidad en el rango de tensión específico. La distribución a largo plazo de la tensión de trabajo se aplica para describir la distribución a largo plazo en el rango de tensión de fatiga de los grandes buques portacontenedores; es la combinación de las tensiones de trabajo inducidas por el oleaje durante el período de servicio en el mar, y la mayoría de las sociedades de clasificación han adoptado la distribución de Weibull con dos parámetros (los parámetros de forma y escala). La selección de parámetros de forma y escala razonables es crucial para mejorar la precisión de la predicción de la vida útil a fatiga en grandes buques portacontenedores.
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El cálculo del factor de intensidad de tensión
En el análisis de propagación de grietas por fatiga, la ecuación de Newman-Raju modificada se utiliza generalmente para calcular el factor de propagación de grietas por fatiga (FFI), basándose en las formas iniciales de las grietas, y se utiliza como ley de propagación de grietas por fatiga estructural. Sin embargo, el tamaño y la forma del defecto de grieta inicial tendrán una influencia específica en el análisis de propagación de grietas por fatiga. Por lo tanto, la consideración de los efectos de los defectos iniciales y el proceso de construcción, así como la finalización del cálculo del FFI, son clave para simular con precisión el comportamiento de la propagación de grietas por fatiga en estructuras de portacontenedores.
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Una comparación entre la teoría de la mecánica de fracturas y el método de las curvas SN
La especificación del análisis de fatiga ha sido establecida por la mayoría de las sociedades de clasificación como documento guía. Si bien el método de la curva SN se utiliza en las especificaciones mencionadas, siempre presenta deficiencias, como la imposibilidad de considerar la diferencia en los defectos iniciales causada por la precisión de construcción del buque. Por lo tanto, es necesario comparar las diferencias entre la teoría de la mecánica de fracturas y el método de la curva SN para la evaluación de la vida útil a fatiga en el buque portacontenedores objetivo. De esta manera, podemos proporcionar una referencia para el posterior análisis de fatiga y la revisión de las directrices.