槽型艙壁極限強度的數值分析

黃 磊 楊 平

武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063

槽型艙壁極限強度的數值分析

黃 磊 楊 平

武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063

通過采用ANSYS軟件，在考慮幾何和材料非線性的基礎上，對系列槽型艙壁在線性靜水壓下的極限強度進行了有限元數值分析。討論了不同槽型角度、板厚、邊界約束形式及用鋼量等對槽型艙壁極限承載力的影響。經過計算分析發現，槽型角度及板厚的增加均對槽體極限強度和單位用鋼量有影響，但前者的增加對槽體極限強度的提高更有效；艙壁約束對結構的極限承載力有較大影響；合理的邊界條件能較大提高其結構承載能力。關鍵詞：槽型艙壁；極限強度；數值計算

1 引言

槽型艙壁的抗彎及抗剪切能力比較優秀，且制作工序和成本相對較低廉，因此，這種艙壁被大量應用于船舶結構中，尤其是散貨船和遠洋油船。在船舶數量不斷增加的同時，各種船舶事故也呈上升趨勢。其中，由于船舶結構的強度或穩性問題所引起的海損就占整個事故的大部分。且調查結果表明，當外板破損或艙口損壞，引起海水進入一個艙室后，由于局部載荷突然大增，可能會導致橫艙壁或縱艙壁的強度不足或失穩而發生破壞，最終導致船舶的穩性或總強度不足而發生海難事故。

針對這一問題，近年來，已有多位學者已對其展開研究。已經進行過一系列的相關實驗，包括多槽及單槽在四邊簡支和橫向載荷作用下的彎曲實驗，并總結出了一些簡單公式，豐富了槽型艙壁的理論研究工作。Paik［1］在總結前人理論的基礎上，結合槽型艙壁模型實驗，推導出了槽型艙壁在橫向載荷和軸向載荷下的極限強度公式。我國對此也進行了一些相應的研究工作。紀匯滌［2］等人在Paik極限公式的基礎之上，根據彈塑性理論導出了同時考慮軸向壓力與側向均布載荷聯合作用下的槽型艙壁極限壓強的預測公式。滕曉青［3］等人通過有限元模擬分析，探討了槽型艙壁在各種工況及約束下的受力和極限強度情況，評價了槽型角度對槽型艙壁用鋼量的影響，得到了一些具有借鑒意義的成果。

本文首先以某散貨船水密槽型艙壁為基本分析對象，通過采用大型通用軟件ANSYS進行數值模擬，探討了槽型艙壁在線性靜水壓載荷下的極限強度情況，對現有槽型艙壁的設計具有一定的參考。

2 有限元計算模型

2.1 計算模型范圍

槽型艙壁的上下端分別連接上下支墩結構，其真實約束情況居于簡支和固支之間，且下端剛性系數略大。本文采用的有限元模型就包括上下支墩結構。此外，為減小橫向邊界條件對結構本身的影響，本文模型在單槽兩側各延伸了一個槽體，模型的翼板、腹板為等厚度。

2.2 約束、載荷及單元

對槽體兩側施加對稱約束，上下支墩施加剛性固定邊界。艙壁結構主要承受貨物壓力［4］，且在船體破損進水后，同時承受靜水壓力的作用，因此，要對艙壁進行線性靜水壓力下的極限強度分析。艙壁結構材料為理想彈塑性，材料的屈服極限為σy＝313 N／mm2，同時考慮幾何大變形及材料非線性。單元類型采用4節點、6自由度的SHELL181單元［5］，細化了槽型艙壁范圍內的單元。上下支墩由于只提供轉動約束，故采用較粗網格形式。槽型艙壁計算模型及槽型尺寸如圖1、圖2所示。

2.3 槽型艙壁的幾何要素

對于單個槽體，剖面慣性矩I和剖面模數W分別為：

為探討槽型角度對極限強度和用鋼量的影響，引入了單個槽型的有效寬度width和單位用鋼量weight，公式如下：

對于槽型角度φ，中國船級社的 《海規》（2006）［6］規定：槽型斜面與平面部分夾角 φ≥40°，ABS 規范［7］規定為 57°～90°之間的槽型角度，故本文研究對象的角度范圍取為40°～90°。

3 槽型艙壁的極限強度分析

3.1 槽型角度對極限強度的影響

為討論槽型角度對極限強度的影響，在保持槽型截面抗彎能力相同的前提下，即在截面模數相同的情況下改變槽型角度。同時，槽深和腹板的長度相應調整，但板厚不變。截面調整公式利用公式（1）和公式（2）。系列計算模型的尺寸數據如表1所示，其中，所有計算模型的高度均為10 m。圖3和圖4分別為計算所得的不同角度下的槽型艙壁極限強度及單位用鋼量曲線。

從圖3和圖4中可看出，保證截面剖面模數相同，即截面彎曲抵抗能力相同的條件下，隨著槽型角度的增加，極限承載能力也在不斷上升，但有效寬度減小，單位用鋼量增加。槽型角度從40°增大到70°時，極限承載力和用鋼量基本呈線性變化。角度為70°～90°時，曲線斜率有所增加，極限強度增加了39%，用鋼量增加了41%。從經濟方面考慮，當模型角度達到70°后，用鋼量的增加幅度明顯大于極限承載力的增加幅度。經過實驗，Paik也得出了相似的結論，直角比小角度艙壁形式對承載更有效。

表1 計算模型的尺寸Tab.1 Sizes of the calculation model

表2 計算模型的幾何要素Tab.2 Geometrical element of calculation model

3.2 艙壁板厚對極限強度的影響

由于船體結構受腐蝕的影響，中國船級社的《海規》（2006）對槽型艙壁的板厚及腐蝕余量給予了規定：板厚t應不小于a／70，a為槽型平面部分寬度和槽型斜邊寬度中的較大值。其他各船級社有關此方面的規定有著較大差異，可見，有必要探討板厚對槽型艙壁極限承載力的影響。經計算所得的圖5、圖6分別顯示出了3種不同角度下板厚對槽型艙壁極限承載力和用鋼量的影響曲線。

由圖5、圖6可看出，在不同的角度下，隨著槽型板厚度的增加，極限承載力和用鋼量均呈上升趨勢，二者的增加幅度如表3所示。隨著角度的增加，板厚所帶來的極限承載力和用鋼量的上升幅度逐漸變小，且在相同角度下，用鋼量的增加幅度要大于極限承載力的上升幅度。由此可見，用增加板厚來提高承載力的方法并不經濟，且角度值越大，越是如此。

表3 板厚對極限強度及用鋼量的影響Tab.3 Plate thickness influence on ultimate strength and steel consumption

3.3 艙壁邊界對極限強度的影響

分別對型艙壁在有支墩和無支墩時受線性靜水壓力下的極限強度進行了計算，計算后，得出艙壁在極限狀態下的von Mises應力分布情況，如圖7、圖8所示。

從圖7、圖8中可看出，在線性靜水壓力載荷下，槽型艙壁尺寸一致時，兩種情況下的應力分布大致相同，但帶有支墩支持的槽型艙壁由于支墩限制住了艙壁上下端節點的角位移，使得帶有支墩的計算模型的最大位移小于無支墩計算模型的最大位移。

一般的貨船和油船均采用上下支墩來對槽型艙壁提供支持［8］，不同的支墩結構對艙壁的支持作用大小各不相同。對有或無上下支墩，以及兩側豎向約束為簡支或對稱約束邊界下的極限強度情況分別予以了計算，計算后的結果如圖9所示。

由圖9可看出，不同角度、但上下邊界條件相同時，邊界約束形式對極限承載力的影響較小。但增加了上下支墩結構后，由于支墩對槽型艙壁的上下端提供了轉動約束，因此，較之無上下支墩的艙壁結構而言，其極限強度明顯增加。而兩側豎向約束為簡支或對稱約束邊界下的極限強度的情況則基本相差無幾，后者的極限強度略小。

4 結 論

經對槽型艙壁的極限強度進行系列有限元數值模擬后，可得出以下結論：

1）與具有相同結構和載荷下的槽型艙壁結構相比，帶有上下支墩結構槽型艙壁的應力水平和位移均低一些，可見，其結構更合理。

2）槽型艙壁的極限強度和用鋼量會隨著槽型角度的增加而上升。70°以前，兩者近似線性變化，70°以后，用鋼量的上升幅度要比極限承載力的上升幅度大，此時，增加角度不經濟。

3）槽型板厚對用鋼量的影響比對極限強度的影響要大，即在滿足規范板厚的條件下，依靠增加板厚來增加極限承載力并不經濟。

4）槽型艙壁兩側的約束條件不論是簡支還是對稱約束邊界條件，對槽型艙壁的極限承載力影響并不明顯。

本文是經系列非線性有限元計算得出的分析結果，為槽型艙壁的設計提供了有益的參考。

［1］PAIK J K，THAYAMBALLI A K，CHUN M S.Theoretical and experimental study on the ultimate strength of bulkheads［J］.Journal of Ship Research，1997，41（4）：301－317.

［2］紀匯滌，崔維成，張圣坤.計及船體剪力作用和彈性固支的槽型艙壁極限強度分析 ［J］.船舶力學，2001，5（2）：43－54.

［3］滕曉青，李潤培.槽型艙壁極限強度［J］.船舶力學，2000，4（4）：48－56.

［4］FRYSTOCK K，SPENCER J.Bulk carrie safety［J］.Marine Technology，1996，33（4）：309-318.

［5］劉相新，孟憲頤.Ansys基礎與應用教程［M］.北京：科學出版社，2006.

［6］中國船級社.鋼質海船建造規范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

［7］ABS Guide for Dynamic Basic Design and Evaluation of Bulk Carriers Structures ［S］.American Bureau of Shipping，2007.

［8］宣東亮.船體艙壁結構的極限強度分析［D］.武漢：武漢理工大學，2008.

Numerical Analysis on the Ultimate Strength of Corrugated Bulkheads

Huang LeiYang Ping
School of Transportation， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China

The paper carries out FEM analyses on the ultimate strength of corrugated bulkheads under linear hydrostatic pressure by means of ANSYS software， taking into account of geometry non－linearity and material non－linearity.Many influence factors will affect the ultimate strength of corrugated bulkheads， including corrugate angle， plate thickness， boundary condition and steel consumption， a discussion of different variables of the above influence is given.By the computational analyses， it shows that increasing either corrugate angle or plate thickness has effect on ultimate strength of corrugated bulkheads and unit consumption of steel，but the former is proved to be more effective on the increase of ultimate strength，and bulkhead condition affects largely on ultimate bearing capacity，and it also shows that the reasonable boundary condition can significantly improve structure bearing capacity.

corrugated bulkheads； ultimate strength； numerical calculation

U661.43

A

1673－3185（2011）03－28－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.03.006

2010-04-12

黃 磊（1983－），男，碩士研究生。研究方向：結構極限強度及穩定性。E-mail：huanglei3707＠163.com

楊 平（1955－），男，教授，博士生導師。研究方向：船舶與海洋工程，結構物安全性與可靠性。E-mail：pyang＠whut.edu.cn