Jäätä murtavan aluksen rungon väsymistarkastelu

Abstract

Jäätä murtavien alusten täytyy kestää sekä lujia iskuja että jään murtamisesta johtuvaa väsyttävää kuormitusta. Etenkin napa-alueiden vesillä jään ollessa erityisen lujaa ja paksua, laivoilta vaaditaan äärimmäistä kestävyyttä niin rakenteellisesti kuin suorituskyvyllisesti. Väsymisvaurioita ei ole juurikaan tutkittu jäissä kulkevilla aluksilla, sillä sen ei ole ajateltu olevan merkittävä nykyisillä materiaaleilla ja rakentamistavoilla. Tulevaisuudessa uusien markkinoille tulevien materiaalien myötä optimoinnin tarve kasvaa materiaalivahvuuksien ja rakenteellisien ratkaisujen osalta. Siksi väsymistarkasteluun täytyy alkaa kiinnittää huomiota. Tässä työssä selvitetään Eteläisellä jäämerellä jäissä kulkevien alusten peräalueen väsymisvaurioita mittausaineiston perusteella, luoden samalla pohja tulevalle tarkastelulle.

Aluksi esitellään Etelämantereen jään ominaisuuksia ja siellä operoivien laivojen ominaispiirteitä sekä luokituslaitosten esittämiä vaatimuksia. Kirjallisuuskatsauksella selvitetään rungon jännityskeskittymien sijainteja ja perehdytään aiempiin tutkimuksiin aiheesta. Väsymisteorian esittelyn jälkeen kerrotaan tapaustutkimuksen taustatietoja, joita hyödynnetään laskennallisissa menetelmissä, kuten rainflow-menetelmässä ja Palmgren-Minerin kumulatiivisessa vauriosäännössä.

Tapaustutkimuksessa käytetyn aluksen materiaalin väsymisrajan voidaan todeta olevan korkea verrattuna mitattuihin jännitysarvoihin. Tästä syystä arvoiltaan suuret, väsymisvaurioita aiheuttavat, keskiarvo-jännitysvaihtelu-parit jäävät vähäisiksi. Kun saatujen kuormitussyklijoukkojen perusteella suoritetaan väsymisvauriolaskenta, tulokseksi saadaan minimaalisen pieni väsymisvaurio, joka muodostuu yhden operointimatkan aikana. Tästä syystä arvioitu laivan rungon elinikä on satojatuhansia vuosia. Arvio ei kuitenkaan ole sovellettavissa suunnitteluun työssä käytettyjen oletuksien ja yksinkertaistusten vuoksi.

Icebreaking vessels must withstand both strong impacts and the fatigue load caused by breaking ice. Especially in polar waters, where the ice is particularly strong and thick, ships are required to be extremely durable both structurally and in terms of performance. Fatigue damage has not been studied much in ships navigating in ice, as it is not thought to be significant with current materials and construction methods. With new materials coming onto the market in the future, the need for optimization in terms of material strengths and structural solutions will increase. Therefore, attention must be paid to fatigue testing. This work investigates fatigue damage in the stern area of ships navigating in ice in the Southern Ocean based on measurement data, while also creating a basis for future research.

First, the properties of Antarctic ice and the characteristics of ships operating there, as well as the requirements set by classification societies, are presented. The literature review will clarify the locations of the stress concentrations in the hull and familiarize yourself with previous studies on the subject. After the introduction of fatigue theory, the background information of the case study will be presented, which will be utilized in computational methods such as the rainflow method and the Palmgren-Miner cumulative damage rule.

The fatigue limit of the ship material used in the case study can be stated to be high compared to the measured stress values. For this reason, the large-valued, fatigue damage-causing, stress average-range pairs remain few. When a fatigue damage calculation is performed based on the obtained load cycle sets, the result is minimal fatigue damage, which is formed during one operating voyage. For this reason, the estimated life span of the ship's hull is hundreds of thousands of years. However, the estimate is not applicable to design due to the assumptions and simplifications used in the work.