部分填充液舱晃荡对局部泵管结构系统的疲劳裂纹扩展可靠性影响研究

本文推荐研究人员针对液货船部分填充舱室内晃荡( sloshing )诱导振动导致局部泵管支撑结构疲劳开裂的问题，通过计算流体动力学(CFD)模拟和有限元分析(FEA)方法，结合可靠性模型与蒙特卡洛模拟技术，评估了不同填充率下裂纹扩展概率。研究发现初始裂纹在给定工况下极可能扩展，为液舱局部结构抗疲劳设计提供了重要理论依据。

　　

海洋工程领域长期面临液货船在恶劣海况下因液体晃荡引发的结构损伤问题。当船舶携带液体货物航行时，部分填充的液舱内液体在波浪激励下产生剧烈晃荡(sloshing)，对舱内局部结构（如泵管系统）形成周期性冲击载荷。这种载荷易引发焊接结构的疲劳裂纹，虽不直接导致灾难性后果，但会造成运营中断、维修成本增加及环境风险。目前研究多集中于舱壁等主要构件，对舱内设备抗晃荡性能的系统性评估仍较缺乏。

挪威科技大学海洋技术系的Kleivane与Leira在《Applied Ocean Research》发表研究，通过耦合流体动力学与结构可靠性方法，首次建立了泵管支撑系统在晃荡载荷下的疲劳裂纹扩展概率模型。他们采用计算流体动力学(CFD)模拟不同填充率下的晃荡压力场，通过体积分数法(VOF)捕捉气液界面动态特性，再以单向流固耦合(FSI)方式将压力载荷传递至有限元模型进行应力分析。基于线性弹性断裂力学(LEFM)理论推导了裂纹扩展应力阈值，并结合蒙特卡洛模拟及FORM/SORM等可靠性方法计算裂纹萌生概率。

2. 部分填充液舱的晃荡

研究发现晃荡冲击压力符合韦伯分布特征，且横向加速度（6.1 m/s²）比纵向（2.9 m/s²）产生更显著的影响。通过CFD模拟获得了30%-100%填充率下的压力分布云图与液体运动轨迹，验证了VOF方法对自由液面模拟的有效性。

2.1 计算流体动力学分析

采用ANSYS Fluent进行瞬态多相流模拟，网格尺寸设为400 mm，虽降低了计算成本，但可能低估波破碎等局部现象。PISO压力-速度耦合算法确保了计算的稳定性，动态网格技术实现了流体域与结构域的载荷传递。

2.2 流固耦合 formulation

研究表明单向耦合方法在预测壁面压力响应方面与实验数据吻合良好，且计算效率远高于双向耦合。通过系统耦合接口将CFD压力场导入ANSYS Mechanical进行结构响应分析。

3.2 局部结构系统的有限元模型

对泵管支架的焊缝区域进行热点应力分析，依据DNV-RP-C203规范采用0.5t外推法计算有效应力范围Δσ_eff，最高应力出现在顶部支架焊缝处。

3.3 晃荡模拟模型

正弦激励频率设定为0.78 rad/s（对应北大西洋典型波长），气油表面张力系数取27.90 mN/m。未将泵管模型纳入CFD计算，而是提取壁面压力作为线载荷施加于结构，可能简化了流体与结构的相互作用。

3.4 晃荡诱导振动响应的可靠性模型

基于Newman-Raju公式建立应力强度因子阈值ΔK_th=63 MPa√mm，推导出裂纹扩展临界应力S_limit=ΔK_th/√(πa_iF(a_i))。填充率采用α=5、β=1.5的Beta分布描述，体现运营中高填充率的概率特征。

4.1 晃荡诱导响应的表征

横向加速度作用下最大应力范围达66.99 MPa（60%填充率），纵向加速度下为85.08 MPa（95%填充率）。通过六阶多项式拟合应力-填充率响应曲线，R²>0.96。顶部支架应力显著高于其他部位，被确定为最易发生疲劳破坏的关键区域。

4.2 裂纹扩展的失效概率计算

蒙特卡洛模拟显示：当临界应力阈值低于84 MPa（纵向）和63 MPa（横向）时，初始裂纹（深度>0.3 mm，表面长度>1.0 mm）扩展概率显著上升。对于深度1 mm、表面长度8 mm的裂纹，扩展概率高达90.8%。FORM/SORM方法与蒙特卡洛结果在低概率区存在差异，源于响应函数的非单调特性导致多设计点问题。

研究结论强调，在给定的海况条件下，液舱泵管支撑焊缝处的初始裂纹极可能发生扩展。该成果的创新性在于将CFD模拟的晃荡载荷转化为概率性裂纹增长模型，为二级船体部件的可靠性设计提供了新框架。未来需通过包含局部结构的全耦合CFD模拟、EPFM理论应用及初始裂纹尺寸概率化建模进一步提升模型精度。该研究对液货船抗晃荡设计规范制定和运维策略优化具有重要指导意义。