基于 CSR的散貨船結構屈服、屈曲與疲勞分析

呂瑋慶,于 濤,錢嘉佳

(南京市地方海事局,江蘇南京 210036)

0 引言

近 10余年來頻繁發生的海難事故和國際海事組織日益嚴格的環保要求是催生共同規范的主要因素。從技術發展來講,共同規范的出臺也是人類造船理念和對海洋環境認識不斷深化、更加理智的結果。過去的幾十年中,由于各船級社制定各自規范,船東選擇滿足其需要的船級。從經濟利益上考慮,船東要求船舶盡可能輕,以便裝載更多的貨物;船廠也要求船體盡量輕,以便節省材料獲取贏利。這可能導致一些船舶強度達不到使用壽命要求,而這些不夠堅實的船舶在營運 10年后逐漸會顯現出危險性。IACS(國際船級社協會)共同規范是IMO(國際海事組織)目標型船舶標準概念逐步應用的結果,其目標是船舶設計和建造的結構要立足于維護船舶營運期間安全。也就是說保證船舶在整個生命周期內(25年內)都保持一個基本的安全水平,以避免船舶營運期間船東維護不足或缺乏維護而導致船舶安全水平下降。本文就是在這一大背景下,主要研究IACS于2006年推出的共同規范——CSR規范中關于船體結構強度直接強度分析和結構細部疲勞分析的內容。

1 船舶概況

31 000DWT散貨船為雙底單殼船,全船為鋼質全焊接結構,采用普通鋼、AH 32高強度鋼、AH36高強度鋼。本船貨艙區域為雙底雙舷側結構,設有頂邊艙和底邊艙,頂邊艙與底邊艙不連通;雙層底高1 480mm,實肋板間距2 250mm;并設有 6根雙層底縱桁:2根距中1 000mm旁縱桁、2根距中5 250mm旁縱桁、2根距中9 750mm旁縱桁;橫艙壁采用槽型艙壁結構。31 000DWT散貨船總布置圖見圖1。

該散貨船主要量度為:

2 屈服強度分析

2.1 評估依據

根據IACS《散貨船共同結構規范》2006版(以下簡稱“共同規范”)要求,本規范適用于船長 L為90m或以上,在全球不受限制航行的單舷側和雙舷側散貨船的船體結構,其貨艙區域主要構件(縱向、橫向)應用直接計算方法進行強度計算,建立三維有限元模型并使用CCS開發的CSR散貨船加載和邊界約束程序,計算載荷計及艙內貨物、舷外水載荷以及斷面彎矩。

2.2 計算工況

根據規范,該船有滿載(重貨)LC-1、滿載(輕貨)LC-2、非滿裝(重、輕貨)LC-3、正常壓載LC-4四個工況,考慮橫浪。

2.3 許用應力

本船采用普通鋼(Mild)和部分高強度鋼(AH36),其中材料換算系數K分別為1.0、0.72。考查應力為有限元分析中得到的平面單元中心的VonMise相當應力。

圖1 31000DWT散貨船總布置圖

2.4 屈服分析結果

最大應力水平匯總表見表 1。

表1 最大應力水平匯總

3 屈曲強度分析

3.1 船舶屈曲分析概述

船舶的發展趨勢是向大型化、輕型化、高速化和多樣化發展,船體總強度問題愈益受到重視。長期以來,船體總縱強度采用經典的線彈性理論。但近年來隨著技術和理論的提高,極限設計方法正逐步被引入船舶設計領域,這使得船體屈曲問題變得越來越突出。

船體主要是由具有縱向加強筋(縱骨)和橫向骨材(橫梁)的板架結構組成。當船舶在海上航行時,一般情況下,甲板及雙層底距離船中橫剖面的中和軸位置最遠,因此在中垂狀態下,甲板承受較大的總縱彎曲面內壓力,因而可能喪失其穩定性;而在中拱狀態下,船底也會承受較大的總縱彎曲面內壓力,同樣可能喪失其穩定性。所以最先可能出現的損壞便是上甲板或船底結構的受壓屈曲破壞。雖然局部板格單元的失效不會明顯地削弱整個船體的總縱強度,但是隨著總縱彎矩的增大,失效的板格單元會不斷增多,最終導致船體發生整體破壞。屈曲強度和極限強度即為計算船體結構抵抗外載荷的最大承載能力。它們對于船體結構的安全性、經濟性和足夠的強度裕度等方面具有十分重要的意義。

3.2 屈曲分析結果

構件衡準因子匯總表見表 2。

表2 構件衡準因子匯總

4 疲勞強度分析

4.1 疲勞分析概述

根據CSR規范,疲勞強度計算分為兩種方法,即名義應力法和熱點應力法。它們根據結構不同特點應用于船中和首尾區域的兩類構件。名義應力法主要應用于縱向構件,即縱向扶強材與橫艙壁以及強肋骨之間的端部節點,這里強肋骨是指位于液貨艙范圍內的艙底、內底、舷側、內殼、縱艙壁、強力甲板的強肋骨;熱點應力法應用于位于船中的內底與邊艙斜板相交的折角部位。同以往船體結構疲勞評估相同,這兩種方法都使用了材料疲勞特性曲線S-N曲線法,即它們是以P-Miner線性累積損傷準則和基于一定應力范圍類型的 SN曲線為基礎的。

4.2 熱點部位的確定

在針對本船三艙段有限元模型的基礎上,選取對疲勞強度較為敏感的部位進行局部細化,采用嵌入式細化模型對這些應力水平較高的部位進行熱點應力的直接計算:

①貨艙口角隅;

②底邊艙與內底板,橫向強框架連接處。

4.3 疲勞損傷計算

根據規范,疲勞損傷計算按照以下步驟進行:熱點應力→等效切口應力→對等效切口應力進行修正→累計疲勞損傷。

4.4 累計疲勞損傷

用合成等效應力計算的累積疲勞損傷 D應符合下列衡準:

D=∑jDj≤1.0

式中:Dj為各裝載工況“j”的基本疲勞損傷。

4.5 疲勞分析結果

使用CCS船級社開發的CCS-TOOLS程序對各熱點的疲勞損傷進行計算。疲勞損傷計算結果見匯總表 3。表 3中,由于程序中累計損傷值只給出小數點后四位,所以角隅上表面D為0。

5 CSR規范和CCS指南異同點

相同點:CSR規范和CCS指南在進行結構強度直接計算分析時,都是采用三維艙段有限元模型來進行分析;CSR規范和CCS指南有限元模型單元的劃分主要依據縱骨或加強筋來布置,即所謂的細網格模型,結構單元以板單元和梁單元居多,采用少部分桿單元。

表3 疲勞損傷計算結果匯總表

不同點:首先,CSR規范采用的是三艙段模型, CCS指南采用的是兩艙段模型。三艙段可以更好地消除邊界條件對計算結果的影響。其次,按照 CSR規范和CCS指南進行艙段有限元分析時,其邊界條件的處理、載荷的計算原理、計算工況的選擇及許用應力的值都有所不同。比如 CSR規范在校核船體各個構件的強度時,統一采用了 235/k(k為材料系數)這個值,而CCS指南的強度標準,對船體各構件來說,則不盡相同。最后,CSR規范考慮的工況比一般規范更多、更細;模型更合理、有效,結果也更準確、全面。

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