橢圓形艙口角隅的疲勞強度研究

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(1杭州市船舶檢驗局，杭州310014 2浙江工業大學建筑工程學院，杭州 310014)

大型散貨船舶的艙口角隅處是應力集中的區域。在服役期間，該區域長期處于高低應力交變狀態，因此疲勞問題尤為突出[1-2]。《鋼質海船入級規范》[3]中對艙口角隅的形狀和厚度有明確的規定，然而這個規定是有一定的范圍的，如何從疲勞的角度確定最優的橢圓形狀和厚度是設計和審圖部門都關心的問題。

應用橢圓形艙口角隅網格自動劃分系統，創建多個不同尺寸、不同板厚的橢圓形角隅的有限元模型，并對其進行熱點應力分析，得出橢圓形艙口角隅的尺寸與板厚對疲勞壽命的影響規律。

1 橢圓形艙口角隅的相關規定

《鋼質海船入級規范》中指出當強力甲板上機艙、貨艙開口的角隅是橢圓形時, 角隅處的甲板不需加厚板,但需要滿足以下幾點。

1)角隅短邊長度取1/20左右的艙口寬度，并且不小于300 mm，也不必大于600 mm。

2)角隅長邊長度不得小于1/10的艙口寬度，也就是角隅長邊長度是短邊長度的兩倍以上。

《船體結構疲勞強度評估指南》[4]規定進行甲板疲勞強度應力直接計算時，只考慮總體波浪彎矩的作用，包含以下計算工況。

① 滿載或壓載下總體垂向波浪彎矩范圍。

② 滿載或壓載下總體水平波浪彎矩范圍。

2 橢圓形艙口角隅的網格自動劃分

采用橢圓形艙口角隅網格的自動劃分新方法，編寫針對橢圓形艙口角隅的細化工具[5]。采用該工具，針對某一散貨船的某一角隅，創建了不同尺寸、不同板厚的有限元模型，并對其進行熱點應力疲勞分析計算，研究角隅尺寸對疲勞強度的影響。

3 橢圓形艙口角隅疲勞分析

3.1 角隅疲勞分析數據統計

針對某33 200DWT散貨船進行熱點應力疲勞分析計算，該船除頂邊艙區域、外底板、內底板采用 AH36以外，其余皆采用船用低碳鋼。船舶主尺度如下。

船長L170.000 m

船寬B26.000 m

型深D14.800 m

艙口寬度b14.944 m

不同尺寸角隅熱點應力分析結果見表1。不同板厚角隅熱點應力分析結果見表2。角隅細化模型及應力分布見圖1～2。

角隅處的設計應力幅值比較高，但都小于[SL](434 N/mm2)，故滿足設計要求。

3.2 橢圓形角隅熱點應力規律分析

根據不同尺寸、板厚角隅熱點應力分析結果繪制的曲線見圖3～6，縱坐標分別取滿載和壓載下的應力幅值SL，橫坐標分別為板厚和長邊比短邊的值。

表1 不同尺寸角隅熱點應力分析結果

表2 不同板厚角隅熱點應力分析結果

圖1 艙口角隅及其相鄰結構的細化模型

圖2 艙口角隅的應力分布示意

根據曲線圖，對于橢圓形艙口角隅可以得出：

1)角隅短邊尺寸越長，設計應力幅越小。因此，規范對角隅短邊長度的相關規定是比較合理的。

2)當角隅長邊長度等于2倍的短邊長度時，設計應力幅最小。當長邊長度小于2倍短邊長度時，設計應力幅增加的速度較快。而當長邊大于2倍短邊時，設計應力幅增加的速度較緩。因此，規范對角隅長邊長度的相關規定也是合理的。

3)隨著角隅板厚的增加，設計應力幅逐漸減小，但是，當板厚增加到一定程度時，設計應力幅下降就相當緩慢。

圖3 滿載時，角隅設計應力幅隨尺寸的變化

圖4 壓載時，角隅設計應力幅隨尺寸的變化

圖5 滿載時，角隅設計應力幅隨板厚的變化

圖6 壓載時，角隅設計應力幅隨板厚的變化

4 結論

應用MSC.Patran有限元軟件對多個不同尺寸、不同板厚的橢圓形角隅進行了熱點應力疲勞分析。計算結果表明，對于橢圓形艙口角隅，就疲勞強度而言，現行《鋼質海船入級規范》是合理的；角隅短邊長度盡量取大些，長邊長度取為短邊長度的2倍左右角隅熱點應力最小；通過增加板厚減小熱點應力僅在一定的范圍內是有效的。

[1] 王東海，杜忠仁，胡安康，等.1700TEU集裝箱船甲板艙口角隅疲勞強度評估[J].中國造船，2001(2):63-68.

[2] 葉步永，謝永和.不同工況對克令吊艙口角隅應力的影響[J].中國修船，2007(12):29-30.

[3] 中國船級社.鋼質海船入級規范[M]．北京：人民交通出版社，2006．

[4] 中國船級社．船體結構疲勞強度指南[M]．北京：人民交通出版社，2007．

[5] 解添如,吳劍國,林 勇.橢圓艙口角隅有限元網格自動劃分研究[J].船舶,2012(6):27-30

[6] 單威俊，伊金秀，李 鋒，等.艙口角隅處網格劃分方法研究[J].船海工程，2008(1):10-14.