船用锻件的应力分析是确保其结构安全性和可靠性的关键环节，涉及复杂的力学计算和实际工况评估。以下是应力分析的核心要点：

1. 应力类型及来源

• 工作应力：由外部载荷（如波浪冲击、货物重量、发动机振动）和内部压力（如管道系统）引起。

• 残余应力：锻造、热处理或焊接过程中因不均匀冷却或塑性变形导致。

• 应力集中：几何突变（如台阶、孔洞、螺纹）或微观缺陷（裂纹、夹杂）引发局部应力升高。

2. 分析方法

(1) 理论计算

• 静力分析：基于材料力学公式（如梁的弯曲应力 $\sigma =My\mathrm{/}I$$\sigma =My/I$）或薄壁压力容器理论（如周向应力 ${\sigma }_{\theta }=pr\mathrm{/}t$${\sigma }_{\theta }=pr/t$）。

• 疲劳分析：结合S-N曲线和Miner准则，估算循环载荷下的寿命（如螺旋桨轴的交变应力）。

(2) 数值模拟（FEA）

• 模型简化：根据对称性、载荷类型简化几何（如用2D轴对称模型分析曲轴）。

• 边界条件：准确施加约束（如轴承支撑处的固定约束）和载荷（如动态波浪力谱）。

• 材料模型：考虑非线性（塑性、蠕变）或各向异性（如轧制方向的强度差异）。

(3) 实验验证

• 应变片测试：在关键位置（如法兰过渡区）粘贴应变片，实测应力分布。

• 超声波/X射线衍射：无损检测内部残余应力（如厚壁锻件的梯度分布）。

3. 关键考量因素

• 材料特性：船用锻件常用低合金高强钢（如ASTM A707）、不锈钢（如316L）或钛合金，需考虑屈服强度、断裂韧性及腐蚀疲劳性能。

• 环境效应：海水腐蚀与应力耦合（如应力腐蚀开裂SCC）需通过涂层或阴极防护缓解。

• 动态载荷：船舶在恶劣海况下的随机振动需通过谱分析或时域仿真评估。

4. 典型失效模式与优化

• 疲劳裂纹：多见于高应力交变区域（如艉轴锥部），需优化圆角半径以降低应力集中系数 $K_t$$K_t$。

• 脆性断裂：低温环境下（如北极船舶）需提高材料的冲击韧性（Charpy V-notch测试）。

• 蠕变变形：高温部件（如排气阀）需选用耐热合金并控制工作温度。

5. 规范与标准

• 行业标准：遵循DNV GL、ABS、LR等船级社规范（如DNV-RP-C203疲劳设计）。

• 安全系数：静强度通常取1.5~2.0，疲劳寿命根据失效后果调整（如关键部件冗余设计）。

6. 案例参考

• 曲轴锻件：通过有限元分析验证曲柄臂与主轴颈过渡处的Von Mises应力是否低于许用值。

• 锚链附件：采用塑性修正方法评估极限载荷下的变形是否可接受。

通过综合理论、仿真与实验，船用锻件的应力分析可有效指导设计改进、工艺优化（如控锻控冷）及维护策略（如定期检测热点区域）。