實肋板腹板開孔應力分析與補強措施

謝琪，何菲菲，朱加剛，肖曙明

(1.中國船級社福州分社，福州 350028;2.中國船級社武漢規范研究所，武漢 430022)

實肋板腹板開孔應力分析與補強措施

謝琪1，何菲菲2，朱加剛2，肖曙明2

(1.中國船級社福州分社，福州 350028;2.中國船級社武漢規范研究所，武漢 430022)

針對船體實肋板腹板開孔及幾種不同補強形式，應用ANSYS軟件進行有限元分析，計算比較幾種補強措施的應力集中系數，得出合理的補強形式，對腹板開孔中心在縱向位置的變化進行討論，提出設計建議。

實肋板;補強型式;有限元分析

在船體結構中，出于船舶總體布置需要，不可避免地要在桁材(如實肋板、甲板強橫梁等)腹板上開孔，以便于通行，電纜、管道鋪設或減輕結構重量。桁材腹板上一旦開孔，就會在開孔邊緣區域出現應力集中現象，同時也將使構件的強度特性(彎曲強度和剪切強度等)降低。應力集中會引起局部裂紋，裂紋擴展的后果可能是引起個別結構損壞，甚至引起整個船體損壞［1］。

為了保證主要構件腹板開孔后的強度特性，因此在船體結構設計時，必須合理設計船體構件的開孔形式、確定開孔位置及補強措施等，使得這些構件在開孔后的孔緣應力不超過容許范圍［2-5］。

針對上述問題，開展開孔對桁材腹板的應力分布及強度影響有限元分析。

1 開孔腹板計算模型

選取一典型實肋板作為研究對象。該實肋板為組合型材，且腹板開孔尺寸和位置均滿足規范要求［6］。其帶板板厚tp=10 mm，有效寬度bp= 500 mm;T型材腹板板厚tw=10 mm，高度hw= 800 mm;面板板厚tf=12mm，寬度bf=500 mm;實肋板跨距l=8 000mm。腹板開孔取船體結構中較為常見的腰圓孔形式，其中，圓孔直徑為d= 480 mm，腰圓孔長a=640 mm，見圖1。

橫梁的材料為鋼，彈性模量E=206 GPa，泊松比ν=0.3，屈服應力σy=235 MPa。

圖1 腹板開孔的實肋板示意

為了分析實肋板腹板開孔及補強后的應力集中，采用有限元法計算，分別考慮4種方案的開孔及補強結構形式［7］:

1)開孔未補強。

2)孔緣采用套環加強，其中套環的尺寸為套環寬度bl=80 mm，板厚tl=12.5 mm。

3)在開孔的四周布置加強筋，加強筋距孔緣的距離為80 mm，加強筋寬度bl=80 mm，板厚為tl=12.5 mm。

4)開孔加強(按俄羅斯《內河船舶入級與建造規范》)，分別在實肋板腹板兩面交錯設置加強筋，加強筋與水平方向的夾角α=40°，距孔緣的距離為40 mm，加強筋的尺寸為加強筋寬度bl= 80 mm，板厚tl=12.5mm;見圖2。

圖2 開孔加強(俄羅斯《內河船舶入級與建造規范》)

建立有限元計算模型時，實肋板帶板、腹板及面板均采用四節點殼單元模擬，主要采用四邊形單元、三角形單元用于疏密網格的過渡。并對開孔周圍網格進行細化，結構有限元模型，見圖3。

圖3 實肋板腹板開孔有限元模型

計算載荷確定如下。設實肋板承受集中力載荷F，即取實肋板面板承受相當h=5.5 m水柱高時所對應的載荷數值，計算載荷F=108.5 kN，施加至實肋板跨距中點面板處。

邊界條件取為兩端剛性固定。

2 計算結果與分析

2．1 孔周圍的應力分布

針對計算中分析的開孔方案，由于開孔的布置關于實肋板跨距中線處l/2=4 000 mm對稱，取實肋板跨距模型一半，則無補強的孔緣應力及各補強方案的應力分布見圖4、5。此時梁的中和軸大約在0.5hw處。

圖4 實肋板應力云

圖5 實肋板腹板受力

由圖4、5可見，孔緣的應力對稱分布，腹板受力產生彎曲，由于產生的局部二次彎曲應力，a處應力較大，應力集中現象明顯。b處的應力較小，應力集中現象較為緩和［8］。

2．2 各補強型式對實肋板強度的影響

根據上述加強方案，以開孔未作補強時的應力為基準，比較分析得出其他開孔補強形式的應力集中相對系數，見表1。

表1 實肋板的各開孔補強型式與未補強時的應力集中相對系數對比

分析表明。

1)采用方案2通過約束開孔自由邊，即套環加強對應力集中影響最為明顯。對于船體結構上的強應力區域而言，采用這種方式補強最為有效。

2)采用方案3和方案4加強筋的補強方式，應力集中相對系數下降了20%，對船體結構較強應力區域而言，采用這兩種補強方式可行。

2．3 開孔的縱向位置對實肋板強度的影響

考慮到腹板開孔位置沿梁跨長方向的變化對實肋板強度的影響［7］，表2給出了腰圓孔的中心距端部不同距離時，即開孔中心位置xc/l的變化對實肋板強度的影響。

表2 開孔中心位置xc與跨長l變化的影響

分析表明:

1)采用套環補強對應力集中的影響較為敏感，且孔緣的應力集中相對系數降低最快，因此，規范規定對于開孔邊緣應采用面板加強(套環)是合理的。

2)根據經典的單跨梁理論，兩端剛固且中部受集中力載荷作用時，在xc/l=0.125、0.375時，載荷大小相等，即孔緣所受到的應力也相等。根據表2計算結果，開孔在xc/l=0.125和0.375位置處所對應的孔緣應力大致相當，亦表明該有限元計算分析正確。在xc/l=0.5時，孔緣處應力最大，所以在生產和設計中，應盡量避免在跨中區域開孔

3)隨著開孔中心位置變化，孔緣無補強措施與采用套環補強的應力相對集中系數基本一致，表明采用套環補強是最為有效的措施。

3 結論

1)有限元計算結果表明，由實肋板的特殊開孔所引起的應力集中的影響僅限于孔緣周圍的局部區域，這與文獻［1］的理論解是一致的。

2)分析表明3種開孔的補強措施中采用套環的補強措施最為有效。另外兩種通過對孔緣周圍設置加強筋的補強措施，亦能使孔緣的應力集中影響系數降低，且施工工藝簡單、方便，在現行設計和生產中，這兩種措施也是較為常見的解決方案。

3)在實肋板的跨中區域開孔時，開孔邊緣的應力最大，所以應盡量避免在跨中區域開孔，若需開孔，則應對開孔采取補強措施。

［1］船舶產品設計院一室，譯.船舶結構力學手冊［M］.上海:上海科學技術出版社，1958.

［2］梅國輝，馮翰林，艦船強力骨架梁腹板開孔原則探討［J］.艦船工程研究，2007，119(4):29-32.

［3］張雋華.超規范要求的主要構件腹板開孔設計研究［J］.中國海洋平臺，2013，28(1):18-23.

［4］娜日薩.強梁腹板特殊開孔應力分析與補強方法的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2002.

［5］朱功泉.CSR散貨船貨艙實肋板上開孔加強的研究［J］.船海工程，2009，38(1):4-7.［6］中國船級社.鋼質內河船舶建造規范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［7］巴塔西.基于PCL的帶開孔翼梁腹板參數化建模和分析［J］.計算機輔助工程，2012，21(1):18-22.

［8］任慧龍，娜日薩.強梁腹板特殊開孔應力分析與補強方法研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2003，24(2): 128-131.

On Stress Analysis near the Hole of Plate Floor and the Strengthening Methods

XIE Qi1，HE Fei-fei2，ZHU Jia-gang2，XIAO Shu-ming2
(1.Fuzhou Branch of China Classification Society，Fuzhou350028，China; 2.Wuhan Rules and Research Institute，China Classification Society，Wuhan 430022，China)

The forms of holes in the plate floor and their strengthening are FE analyzed by using ANSYS.The rational strengthening method is obtained through calculating and comparing the stress concentration coefficients of several kinds of strengthening.The influence of the longitudinal and vertical position of the hole upon the stress distribution is analyzed also in order to give some recommendations for structural design.

plate floor;strengthening;FEA

U661.43

A

1671-7953(2015)02-0061-03

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.016

2014-06-12

修回日期:2014-08-08

謝琪(1975-)，男，學士，工程師

研究方向:船舶與海洋工程

E-mail:jg_zhu@ccs.org.cn