In ship structures, fatigue cracks may initiate at the intersection between face plates of the longitudinals and web stiffeners attached to the transverse girders. These cracks may propagate in web plates of the longitudinals and may penetrate inner or outer skin plates, which have a possibility to cause the loss of oil and/or water tightness of critical compartment boundaries. Therefore, cracks must be detected by inspections before they reach the critical length. In the present paper, a simulation program is developed for multiple cracks propagating in a 3-dimensional stiffened panel structure. The simulation program can predict fatigue crack lives and paths taking into account the interaction of multiple cracks, load shedding during crack propagation and welding residual stress. The characteristics of fatigue crack propagations of ship structures are investigated by using the developed numerical simulation program and experiments. It is found that the crack propagation behavior in the ship structures may significantly change depending on the loading conditions, structural details and residual stress distributions.

　

　一般に船舶構造設計では運用中に疲労き裂が生じないように安全寿命設計の考え方がとられるが、現実には船体構造は多くの疲労き裂損傷を経験してきた^1）。疲労き裂の生じやすい溶接継手には工作不整による初期欠陥が存在する場合も多く、疲労き裂の発生を完全に抑制することは現状ではかなり困難である。疲労き裂は一般に縦通材とウェブスチフナの交差部などの構造不連続部より生じる（Fig. 1）。フェイスに生じた疲労き裂はFig. 2のように（1）フェイス溶接止端部の表面き裂、（2）フェイスとウェブの貫通き裂、（3）ウェブの貫通き裂とその伝播形態を変化させながら進展する。ウェブを進展するき裂がそれと交差するスキン材に至り、それを貫通した場合、液体貨物の漏洩あるいは倉内浸水といった船舶の機能にとって致命的な損傷に結びつく危険性がある。それ故、き裂が致命的な状態に成長する前にき裂を発見し、適切な補修を行う必要がある。

　船体構造のき裂検査は一般的に検査員の目視により行われる。船舶の高い構造健全性を維持するためには、形態（1）のような発生直後の短いき裂を早期に検出しておくことが望ましいが、視認性の悪い環境下ではそれは困難な場合が多い。一方、形態（2），（3）のようなき裂は比較的検出が容易であるが、通常その伝播寿命は全体の数％程度であると考えられる。しかしながら、船体構造には構造不静定性、溶接残留応力等の複雑な影響因子があるため、形態（3）の比較的長いき裂が遅延、停留傾向を示す場合もあると考えられている。これらの影響因子を適切に利用し、疲労き裂伝播を管理できれば、新たな船体構造の疲労設計概念が生まれる可能性もある。そのためには設計の段階で船体構造の疲労き裂伝播挙動を正確に推定しておく必要がある。

　著者らはこれまでに疲労き裂の伝播寿命と経路を予測するための自動き裂進展シミュレーションプログラム（CP-System）を開発してきた^2）〜8）。本シミュレーションプログラムでは板厚貫通き裂を2次元平面のき裂進展問題とみなし、逐次有限要素解析によりその伝播挙動をシミュレートする。またスーパーエレメントを利用することにより、大規模構造物への適用が可能である。本シミュレーションプログラムは実構造のき裂伝播挙動を十分な精度シミュレートできることが確認されているが^6）〜8）、いくつかの問題点がある。

　本研究ではプログラムの適用範囲を拡大し、かつ実用性を向上させるため上記2点について改良を行った。また本シミュレーションプログラムを用いて船体縦通材の疲労き裂伝播に対する荷重条件、構造詳細形状、残留応力分布の影響について検討を行い、さらにそのシミュレーション結果の妥当性を検討するために、船体縦通材を模擬した構造試験体を用いて疲労試験を実施した。