1．目的及意义

研究表明，结构疲劳是引起大型工程结构灾难的主要原因，结构在外载荷作用下逐渐积累疲劳损伤，积累到一定程度造成的结构疲劳失效会给生命、财产带来不可估量的损失。据统计，机械断裂事故中80%以上是由金属疲劳引起的^[1]，而发生在焊接结构的疲劳断裂事故中，有90%左右是由疲劳失效导致的。在船舶与海洋工程中，金属疲劳损伤也是最主要的失效模式，而金属疲劳过程又是随机、复杂的，因此，如何有效地对结构寿命进行评估仍是值得研究的问题，这也是确保结构安全运行的关键。

对于焊接结构，焊接接头的存在会导致此处出现明显的应力集中现象，最容易产生裂纹，发生疲劳破坏。相比于早期的铆接方式，钢质船舶的建造使得焊接的不利影响越发地凸显出来。裂纹会导致构件失效，严重情况下整个结构都会发生断裂现象，由此造成了很多结构承载能力降低甚至丧失的事故。

疲劳断裂现象不仅发生在船舶上应力集中的区域，如舱口等，也会发生于海洋平台上。2013年，日本商船三井“MOLComfort”号超大型集装箱船搭载着7000多个标准集装箱执行亚欧航线任务，在新加坡前往沙特吉达港的途中，在距离阿曼塞莱拉港430海里处（北纬12度33分、东经59度46分附近）突发事故船舶中部出现断裂，海水进入货舱，这起事故被认为是迄今以来最惨烈的集装箱船断裂事故。当时MOLComfort号船体所用是2007年日本三菱重工与新日铁合作开发出的最新型高张力钢HTS47。相比于之前日本船舶制造业所应用的HTS40钢材，HTS47更为轻薄。HTS47钢材对于焊接技术提出了更为精密的焊接工艺，更低的容错率，必然会提高焊接难度，为应对HTS47焊接难题，三菱重工联手新日钢与Sumikin焊接公司，设计完成了双电极振动电版气体弧光焊接机等可以使HTS47钢板弯曲的方法技术。虽然HTS47已经具备了成套的焊接技术，但这套焊接技术能否真正匹配还有待时间的检验。HTS47刚问世一年就被用于船体建造，加之这些新装备、技术和管理也是三菱重工首次运用，MOLComfort号船体在焊接环节很难保证完美无暇。

2017年3月31日，韩国海运公司PolarisShipping旗下一艘名为“STELLAR DAISY”的大型矿砂船在大西洋距离陆地最近距离大约为2500km海域沉没。同公司旗下另一艘载重吨位达到30万DWT的VLOC船舶“STELLARQUEEN”日前被发现该船上甲板出现了两道裂口。该公司旗下另外一艘名为“STELLAR UNICORN”的VLOC被发现船体有裂缝问题被要求在开普敦进行紧急维修。

第二次世界大战期间，美国第一次采用了全焊接技术，建造了一大批总计有5200多艘全焊接船舶，造价总额达到830亿美金。因为采用新的焊接技术，再加上很多金属性能的缺陷，导致238艘彻底报废，19艘在使用过程中报废，每艘船舶的造价大约为160万美金^[2]。据调查，脆性断裂的原因主要是应力集中区域萌生的的大量的裂纹快速扩展。英国“Concorde”号大型万吨级油轮以及日本“FLARE”号十万吨级集装箱船都因为船体中部出现裂纹使得整体断裂而沉没，造成重大事故。2005年，我国“金富星”号一艘大约 1.2万吨的大型集装箱船也因船体中部的裂纹使船舶濒临断裂，裂纹已经延伸到了舷侧列板，险些在航行中断裂造成巨大损失。

在海洋环境中，存在着风、浪、流等外力的作用，使得海况变得更加得复杂，会对各类海洋平台造成不利的影响，有时也会发生因疲劳断裂产生的事故。我国的“渤海二号”钻井平台、JZ20-2中南平台以及库克湾的海洋平台都是因为在海冰的作用下产生的冰激振动现象造成的裂纹的萌生，最终导致坍塌事故。北海油田“亚历山大.基兰”号钻井平台5根支柱中的一根发生断裂，平台在颤抖中呈40度倾斜，最终在复杂海况的作用下倾斜至倾覆。

焊接结构因疲劳破坏导致的安全事故时有发生，不仅危机了大家的生命安全而且也导致了国民经济的巨大损失。这些疲劳事故造成的严重的破坏性和后果，使得规范化疲劳设计越来越受重视。

最先正式把疲劳强度评估列入船舶设计规范的船级社是GL^[5]。接着其他一些主要船级社也分别规定了与其研究相对应的疲劳强度评估标准。由于我们很难用数值方法或准确的理论来分析复杂的微观疲劳，所以现有的方法大多是宏观层面的。在船舶与海洋工程领域，主要有S-N曲线法、断裂力学法和可靠性方法等几种方法。目前，最常用的方法是主要船级社优先推荐的基于热点应力的S-N曲线法。

S-N曲线法是最简单应用最早最广泛的方法，在实际工程中运用较方便。根据名义应力与寿命之间的关系曲线，和Palmgren-Miner 累计公式可以得到疲劳寿命，或者其对应的许用应力幅值。S-N曲线法是从宏观上不考虑含初始裂纹及裂纹的扩展阶段的方法，主要用于评估无初始缺陷的裂纹的萌生寿命。

（1）名义应力法