船舶结构疲劳强度问题长期困扰着船舶建造设计人员，作为船舶安全的重要影响因素之一，通过科学的手段检测船舶结构疲劳强度能够有效避免因材料与工艺设计方面导致的船舶结构安全问题发生。随着科学技术的不断进步，船舶结构疲劳强度测算手段更加丰富，相关算法日益完善。

1 船舶结构疲劳强度测算方法概述

在船舶建结构设计过程中，目前使用较为广泛的疲劳强度测算方法主要包括回应谱测算法、切片测算法等，具体内容如下所述。

1.1 回应谱测算法

回应谱测算法的核心在于运用有限元分析技术，对船舶设计过程中对应结构处的受力情况继续疲劳损坏水平进行推算。设计人员利用专业软件绘制目标舱段与结构模型，结合有限元分析软件选择对应舱段中不同位置的材料、工艺等，实现局部载重作用力回应曲线计算，实现对船舶结构疲劳强度的短期监测，为船舶建造与检修提供科学的依据。

1.2 切片测算法

所谓切片测算法，是指根据不同船型在实际航行过程中船体、载重、海况等相关因素综合考虑下的船体结构疲劳强度测算方法，其基本理论是平面流假设法。在使用切片测算法的过程中，需要对船身的横剖面等同于无限长柱面结构，将三维空间内的流体力学问题转化为二维空间内的流体力学分析，通过三个不同剖面的分析结果，对船舶航行过程中的升沉、横摇、纵摇导致的波浪载重与船舶结构疲劳强度损坏情况进行评估。

2 船舶结构疲劳强度分析方法的具体应用

从实际角度分析，导致船舶结构疲劳强度损害的因素是多方面的，以常见的裂纹为例，由此造成的船舶结构疲劳强度变化包括宏观与微观两个层面。首先，大量裂纹在同一分段结构中的应用将形成不同规模的“宏观裂纹”，随着“宏观裂纹”规模的不断扩大，所引起的船舶结构疲劳损坏程度将进一步升级，甚至造成结构件的断裂；其次，微观层面上的材料裂纹是一个较为复杂的问题，需要经过科学的理论分析和建模仿真才能够更加全面的展示船舶结构疲劳强度的变化曲线，具体方法包括S-N曲线法与Mine线性疲劳累积算法。

2.1 S-N曲线法

相比较其他船舶结构疲劳强度分析理论与方法来说，S-N曲线法主要适用于船舶结构疲劳强度损坏分析的初始阶段，然而，随着“宏观裂纹”概念在船舶结构疲劳强度分析中的普及，S-N曲线法已经应用于船舶结构的“全周期”疲劳损耗水平推算。然而，这里需要注意的是，S-N曲线法的使用前提是结构材料与工艺所导致的裂纹并不会受外部因素影响而消失，并随着时间的推移逐步接近临界值。

在S-N曲线法的实际使用过程中，其主要手段包括一般名义应立法、热点应立法、切口应法，通过对应方法分析的数据，可绘制船舶结构疲劳强度S-N曲线，实现全周期结构疲劳强度的科学预测。然而，由于分析方法的不同，其优缺点也较为明显，具体如表1所示：

表1 S-N曲线法的优缺点分析类别 应力值 优点 缺点名义应力法 δ=δα计算量小，计算公式简单精度变化较大，涉及S-N曲线数量较多热点应力法 δ=KC×δα S-N曲线数量少KC涉及计算量较大，焊接点热点应力非线性特征切口应力法 δ=KC×KW×δα S-N曲线数量少应力计算量较大，焊接点应力离散度大

2.2 Mine线性疲劳累积算法

在船舶结构疲劳强度分析方面，除S-N曲线法以外，Mine线性疲劳累积算法的应用同样较为广泛，其侧重于船舶实际使用过程中的结构疲劳强度损耗的持续性估算，即从理论角度认定船舶结构强度疲劳损伤是一种线性相加的关系，对应公式如下所示：

其中，n1、n2为对应载荷S1、S2的计算损伤周期（以7天为一个周期），N1、N2为对应载荷S1、S2的临界损伤周期数。

在满足的情况下，则船舶结构疲劳强度损坏情况处于正常水平，若时，则船舶结构疲劳强度损坏情况达到临界值或损坏严重，需要立即进行检查维护。

3 船舶建造中钢结构的疲劳特征分析

作为船舶建造过程中使用量最大的材料，关于钢结构的疲劳分析重点在开孔、焊接两个工艺施工点位，且具有的疲劳特征也存在着较大差异。

3.1 随机载荷变化下的钢结构疲劳特征

对于相同钢结构工艺施工点位来说，随机载荷变化带来的钢结构疲劳损坏水平变化特征如图1所示。

图1 10万吨级远洋货船随机载荷下的钢结构疲劳损耗示意图（3级海况）