基于共同規范的散貨船貨艙口角隅疲勞強度評估

趙武浩 顏世文

（徐州市地方海事局 徐州221000）

0 引 言

船舶在海上航行，其結構一直受到不斷變化的波浪力及運動產生的各種慣性力的作用，它們在結構內部產生交變應力，長期交變應力作用將會使結構產生疲勞損傷。隨著船舶的日趨大型化以及高強度鋼在船體結構中被廣泛采用，船體結構的疲勞強度評估顯得越來越重要。對于船長超過200 m的大型船舶，總損傷數的70%屬于疲勞損傷，疲勞損傷成為引起船舶結構破壞的主要原因［1］。

《散貨船結構共同規范》［2］自生效以來，經歷數次修訂，對散貨船的疲勞強度有明確要求。本文選取176 000 dwt散貨船作為研究對象，根據《散貨船結構共同規范》對貨艙口角隅處進行疲勞強度評估。

1 實船資料

船舶的主尺度如下：

176 000 dwt散貨船為雙層底、單舷側結構，設有頂邊艙和底邊艙。全船共有9個貨艙，8道垂向槽型橫艙壁并設有頂凳和底凳。雙層底高度2 450 mm，肋距920 mm，雙層底布置中縱桁、管隧以及10道旁縱桁，共有38根船底縱骨。位于底凳下方每兩個肋距布置一道肋板，貨艙區域每三個肋距布置一道肋板。船舶隔艙裝載工況時，第1、3、5和9貨艙裝載，其余為空艙；船舶重壓載情況下，第5為重壓載艙。

2 建立有限元模型

2.1 有限元模型

按照規范要求，采用三維有限元模型。模型的縱向范圍應覆蓋船中3個貨艙和4道橫艙壁，模型包括端部的橫艙壁連同各自上下底凳和位于端面位置的強框架，兩端均應形成垂直平面。為了考慮橫向波浪載荷的不對稱性，有限元模型還應該覆蓋船舶的左右舷。

對于船體結構的所有主要構件如：外殼、甲板和內底板、雙層底縱桁和肋板、橫框架、頂邊艙和底邊艙斜板等強構件均應用殼單元建模；對于板上的縱骨，加強筋和扶強材等采用梁單元。熱點區域的網格采用精細網格，網格的單元尺寸近似等于評估區域的凈厚度，單元的長寬比應接近1，四邊形單元的角應盡可能為90°或應在45°～135°之間。網格尺寸從精細網格逐漸過渡到細化網格，過渡區域所有構件，包括肘板、縱骨及扶強材使用具有彎曲和膜特性的殼單元建模，焊接的幾何形狀沒有考慮。

艙段有限元模型及角隅細化網格如圖1所示。

2.2 邊界條件

為保證變形后兩個斷面仍滿足平斷面假設,可以通過多點約束實現，斷面兩剖面的縱向構件節點應與位于中心線上中和軸處的獨立點剛性關聯見表1，兩端獨立點應按表2約束。

圖1 艙段有限元模型及角隅細化網格

表1 兩端的剛性關聯

表2 獨立點的支撐條件

2.3 工況定義

由于本船是BC-A船舶，No.5貨艙為壓載艙，根據規范，該船有滿載、隔艙裝載、正常壓載和重壓載共4種裝載工況，并且每一種裝載工況又可以進一步分為8種載荷工況。因此，疲勞損傷評估共有32種計算工況。裝載工況和載荷工況的定義，使用CCS船級社開發的CCS-Tools程序進行加載［3］。

對于每種裝載工況，應考慮的載荷工況為：

（1）與 EDW“H”對應的“H1”和“H2”（迎浪）；

（2）與 EDW“F”對應的“F1”和“F2”（隨浪）；

（3）與 EDW“R”對應的“R1”和“R2”（橫浪）；

（4）與 EDW“P”對應的“P1”和“P2”（橫浪）。

具體的工況和載荷工況見表3和4。

表3 裝載工況（中間艙為載貨艙）

表4 載荷工況

2.4 疲勞載荷

根據規范，使用CCS-Tools自動加載軟件施加的疲勞載荷包括：

（1）波浪引起的船體梁載荷，包括波浪彎矩和扭矩；

（2）船舶運動引起的舷外海水動壓力，主要作用在板架上，如船底板架、舷側板架等；

（3）艙內貨物和壓載水對艙內底板、舷側外板和橫艙壁等的動壓力，由于貨物與船舶相對運動造成的慣性力。

3 結果分析

3.1 應力結果

本船采用普通鋼和部分高強度鋼，艙口角隅采用的是高強度鋼其許用應力為355 MPa。MSC.Nastran計算結果知四種工況的最大應力，如圖2～5所示，從結果看出應力都小于規范規定的許用應力，滿足規范要求。

圖2 滿載時最大應力云圖

圖3 隔艙裝載時最大應力云圖

圖4 正常壓載時最大應力云圖

圖5 重壓載時最大應力云圖

3.2 疲勞強度衡準

用合成等效應力計算的累計疲勞損傷D應符合下列衡準：

式中：Dj為各裝載工況“j”的基本疲勞損傷。

3.3 疲勞強度校核

應用MSC.Nastran軟件計算32種計算工況下結構的應力水平，然后進行彎矩剪力修正。重新提交計算，彎矩剪力修正后的結構應力通過線性插值得到熱點部位的熱點應力，最后按照共同規范第8章第2節進行疲勞損傷計算。本文使用CCS船級社開發的CCS-Tools程序對各熱點的疲勞損傷進行計算［4］，疲勞分析結果見表 5。

表5 疲勞分析結果

圖6 單元上下表面定義示意圖

4 結 語

根據散貨船結構共同規范，對一艘176 000 dwt散貨船貨艙角隅處進行疲勞強度評估，通過建立詳細的疲勞熱點位置的結構有限元模型，計算角隅在32種工況下的應力水平，然后采用CCS船級社開發的CCS-Tools程序計算熱點處的疲勞損傷，計算結果表明貨艙口角隅處的疲勞強度滿足規范要求。

［1］Proceedingsofthe7thInternationalShipStructuresCongress［R］.Pairs，August 1979.

［2］IACS.Common Structural Rules for Bulk Carrier［S］.2009.

［3］中國船級社.IACS共同結構規范軟件—直接計算（散貨船）使用手冊（疲勞加載）［M］.2009.

［4］中國船級社.IACS共同結構規范軟件—直接計算（散貨船）使用手冊（疲勞強度評估）［M］.2009.