單舷側(cè)散貨船肋骨上下端的支撐結(jié)構(gòu)比較分析

崔科科，賀映華，徐興智

(1.上海交通大學(xué)，上海200030;2.常石(上海)船舶設(shè)計(jì)有限公司，上海200080;3.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海200129)

在船舶建造運(yùn)營(yíng)過程中，肋骨上下端的支撐肘板損壞的情況時(shí)有發(fā)生。是否可以通過追加肘板末端延伸結(jié)構(gòu)使肋骨上下端的結(jié)構(gòu)更好地過渡，或者通過改變肘板形狀或增加板厚來防止損壞現(xiàn)象的繼續(xù)發(fā)展或再發(fā)生，對(duì)此的分析討論具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 分析對(duì)象

1.1 對(duì)象范圍

以某巴拿馬型散貨船為例，分析單舷側(cè)散貨船的肋骨上下連接結(jié)構(gòu)的有效性。在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常為了便于船舶建造時(shí)的成組裝配和減少失誤，盡量把裝配在同一塊鋼板上的縱骨布置成等間距同尺寸的型材，如圖1中LT7～LT11，LH1～LH5。而LT12和LS29明顯比相鄰區(qū)域的縱骨尺寸大。同樣，LH6和LS26也明顯比相鄰的縱骨尺寸大。這是根據(jù)CSR第六章第二節(jié)對(duì)下部和上部連接肘板有剖面模數(shù)和連接長(zhǎng)度的具體要求而做的調(diào)整。

另外，LS26也使用了比較大的尺寸，這主要是考慮到在底邊艙為了方便底邊艙上部區(qū)域的焊接和船檢、維修，而特意設(shè)置成比較大的尺寸以便用來作為檢查通道設(shè)施。本文主要針對(duì)LT12和LS29，LH6和LS28及所聯(lián)接肘板，在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加4塊延伸結(jié)構(gòu)(見圖2)，與原結(jié)構(gòu)(見圖3)比較，比較肘板上的應(yīng)力分布。進(jìn)而判斷添加的延伸結(jié)構(gòu)是否對(duì)在上下端連續(xù)結(jié)構(gòu)即連接肘板的應(yīng)力變化方面起到積極作用。

2 建立模型

2.1 工況分析

因?yàn)榇霸趯?shí)際航行中會(huì)有迎浪，隨浪，橫浪(最大橫搖)，橫浪(最大外部壓力)四種載荷工況，每種又分為中拱和中垂兩種工況。并結(jié)合不同的裝載工況，主要包含的裝載模式有滿載均勻裝載、非滿載，多港，隔艙裝載、連艙隔艙裝載、正常壓載、最大壓載、重壓載即貨艙壓載，以及港內(nèi)工況和試驗(yàn)工況。實(shí)際船體梁計(jì)算時(shí)所施加的載荷應(yīng)包含靜水載荷和波浪載荷并分別考慮船體的完整工況，進(jìn)水工況，港內(nèi)工況以及這三種工況下的中拱和中垂工況。

2.2 載荷工況及模型分析

本例為比較計(jì)算，所選取的工況比較簡(jiǎn)單，主要有工況1，完整工況下施加靜水載荷;工況2，液艙試驗(yàn)時(shí)的靜水壓力;工況3，同時(shí)施加加靜水載荷和液艙試驗(yàn)時(shí)的靜水壓力。對(duì)模型作比較分析。

對(duì)各裝載工況，在外板上施加靜水壓力pS，kPa，水線處及以下為

式中:TLCi——某裝載工況下的吃水，本例取為設(shè)計(jì)吃水12.8 m;

ρ——海水密度，ρ=1.025 t/m3;

g——重力加速度取為9.81 m/s2;

圖1 分析對(duì)象

Z——載荷點(diǎn)離開船底基線的高度。

則船底基線處為pS=128.7 kPa。

液艙試驗(yàn)時(shí)，作用于板材上的總壓力由下式得出:

式中:ZST——試驗(yàn)載荷高度，m，

取ZST=ZTOP+2.4=24.075 m。

則船底基線處即的試驗(yàn)壓力為240.75 kPa。

模型1(見圖2)的肋骨上下端的連接結(jié)構(gòu)由肘板和鄰近的延伸結(jié)構(gòu)組成，模型2(見圖3)的肋骨上下端的連接結(jié)構(gòu)僅由肘板組成，比較兩個(gè)模型在不同工況下肘板的相同位置處(見圖4)的應(yīng)力變化(見圖5～8)。

圖4 選取上下支撐中大應(yīng)力處的單元并編號(hào)

圖5 模型1的上支撐肘板三種工況下的應(yīng)力分布

2.3 應(yīng)力比較結(jié)果及分析

由以上三種工況下的選取的單元應(yīng)力比較結(jié)果(見圖9、10)不難看出，對(duì)于上部連接肘板的支撐肘板而言，增加了相鄰縱骨件的延伸結(jié)構(gòu)后，肘板上的應(yīng)力水平不但沒有下降，反而有所上升。下部連接肘板的支撐肘板僅在靠近縱骨的2個(gè)單元處應(yīng)力水平有所下降，其它的均在增加了延伸結(jié)構(gòu)后應(yīng)力水平上升。

如果把對(duì)應(yīng)肘板上的全部單元的應(yīng)力結(jié)果都加以比較分析，可以知道無論是對(duì)于上部連接肘板的支撐肘板還是下部連接肘板的支撐肘板，都存在這樣的現(xiàn)象:在增加了肘板的相鄰縱骨間的延伸結(jié)構(gòu)后，支撐肘板上的應(yīng)力水平僅在與縱骨相鄰的單元有所降低，而絕大部分的單元應(yīng)力水平都有大幅上升。

究其原因，認(rèn)為對(duì)于支撐肘板而言，縱骨的支撐相當(dāng)于肘板的邊界條件，增加了縱骨間的構(gòu)件后，邊界條件過強(qiáng)，導(dǎo)致了應(yīng)力不能均勻向相鄰結(jié)構(gòu)傳遞，支撐肘板上出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中。

3 結(jié)論

如果船舶在實(shí)際的運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)了支撐肘板的破損，一定要在支撐肘板自身做改造，增大肘板的面積或者厚度等，而不可以想當(dāng)然地在肘板的相鄰縱骨間添加延伸結(jié)構(gòu);不然不但無益于結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，無益于降低肘板的局部強(qiáng)度，反而會(huì)增加肘板上的應(yīng)力集中程度，從疲勞分析上考慮也加速了此處結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步破壞［1］。本文所選取的工況數(shù)量有限［2］，模型與實(shí)船也有一定的差異，所得結(jié)論僅作為處理肋骨支撐結(jié)構(gòu)破損的參考。

［1］陳有芳，金秋東，張少雄.船舶熱點(diǎn)疲勞強(qiáng)度研究［J］.船海工程，2010(4):5-7.

［2］杜嘉立，楊鹽生，鄭云峰.船舶疲勞強(qiáng)度［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(4):25-28.