老齡船體強度校核中載荷及測厚數(shù)據(jù)的處理方法

陳　武，張岳林，蘇里陽

(1.海軍駐溫州地區(qū)軍事代表室，浙江 舟山 316000；2.海軍試驗基地第310所，河北 秦皇島 066000；

3.海軍91550部隊，山東 煙臺 265700)

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老齡船體強度校核中載荷及測厚數(shù)據(jù)的處理方法

陳武1，張岳林2，蘇里陽3

(1.海軍駐溫州地區(qū)軍事代表室，浙江 舟山 316000；2.海軍試驗基地第310所，河北 秦皇島 066000；

3.海軍91550部隊，山東 煙臺 265700)

摘要：為了得到老齡船體剩余強度計算方法，對老齡船體載荷的變化、施加方法及測厚數(shù)據(jù)的使用方法進行了研究。研究表明，在使用規(guī)范計算法計算總縱彎曲應力的過程中，根據(jù)新船的剪力彎矩計算書計算老齡船體的受力是偏于安全的，使用平均減薄數(shù)據(jù)比使用最大減薄數(shù)據(jù)計算的應力值更接近仿真結果。該研究能提高老齡船體強度計算的準確性。

關鍵詞：老齡船體；強度校核；載荷；測厚數(shù)據(jù)

0引言

隨著海軍現(xiàn)代化建設的發(fā)展，一批新型戰(zhàn)艦加入海軍序列，但與此同時仍有大量老齡艦艇正在服役。隨著服役時間的增加，船艇由于腐蝕、疲勞損傷等作用，其抵抗外力所致破壞性變形的能力也隨之下降，船體強度是否符合規(guī)范要求直接決定了艦艇能否繼續(xù)服役。雖然船體結構設計是按照有關規(guī)范嚴格進行的，但對于老齡艦艇，如何評估其可靠性尚未形成規(guī)范，學者們紛紛對此進行了研究，如戴仰山等[1]對極限彎矩定義、極限強度條件以及砰擊振動彎矩計算等問題進行了討論。本文在這些研究的基礎上，對老齡船體強度校核中載荷、測厚數(shù)據(jù)的處理方法進行了研究。

1載荷的處理

船體梁各橫剖面的中拱波浪彎矩MW(+)和中垂波浪彎矩MW(-)應分別按式(1)、式(2)計算：

MW(+)=190×10-3MCL2BCb

(1)

MW(-)=-110×10-3MCL2B(Cb+0.7)

(2)

式中：L為設計水線長，m；B為船寬，m；MW(+)、MW(-)分別為中拱波浪彎矩和中垂波浪彎矩，kN·m；M為彎矩分布系數(shù)，如圖1所示，其中，f為船長分布系數(shù)，x為被校核與舯部的距離；Cb為方形系數(shù)，Cb≥0.60；C為系數(shù)，按下列各式計算：

C=0.041 2L+4，當L<90 m時；

C=10.75，當300 m≤L≤350 m時；

圖1　彎矩分布系數(shù)圖

對于老齡船體，由于腐蝕等因素影響，船體物理、幾何屬性發(fā)生以下兩方面變化[2]：

(1)由于腐蝕作用，船體重量減輕，中拱、中垂彎矩較腐蝕之前有所減小。

(2)由于中拱、中垂彎矩的作用，船體沿船長方向可能會產(chǎn)生一定程度的變形，這種變形實際造成船長水平方向的減小，所以考慮變形作用，老齡船體中拱、中垂彎矩較新船有所減小。

出于以上2點原因，根據(jù)新船的剪力彎矩計算書計算老齡船體的受力是偏于安全的，加之剪力彎矩計算是一個復雜的過程，所以在老齡艦艇的強度校核中，不建議對腐蝕后老齡船體的實際剪力彎矩進行計算，而是參考該船設計的剪力彎矩計算書。

在老齡船體“彎矩與剪力計算書”中量得某肋骨處的正常排水量時的彎矩和壓頭值[3]。剪力取其附近最大值，對量取的彎矩值考慮波浪對船長位置的影響。彎矩值計算按式(3)修正：

M′=(M0-M靜)α+M靜

(3)

式中：M′為作用在船體艏艉被校核剖面內(nèi)的計算彎矩值；M0為波峰與波谷處于舯部位置時所計算的被校核剖面的彎矩值；M靜為船體處于靜水中時被校剖面彎矩值；α為系數(shù)，按式(4)計算：

(4)

2有限元分析中載荷與邊界條件的施加

邊界條件如圖2所示。圖2中，在端面A與B內(nèi)中和軸與縱中剖面相交處建一個參考點H，在參考點上施加總縱彎矩。端面各縱向構件節(jié)點自由度δx、δy、δz與參考點耦合約束，如圖3所示，即圖2為載荷與邊界條件的理論施加方法，圖3為有限元中的具體實現(xiàn)。端面A與B內(nèi)參考點H橫向線位移、垂向線位移、繞縱向軸的角位移約束，即δy=δz=θx=0；端面A內(nèi)參考點H縱向線位移約束，即δx=0。總體載荷工況邊界條件見表1。

3測厚數(shù)據(jù)的處理

得到船體某剖面構件測厚數(shù)據(jù)后，將測厚數(shù)據(jù)填入船體剖面要素計算表中，即可進行該剖面要素計算。記錄表中未進行測厚的構件，需以其相鄰構件的測厚數(shù)據(jù)進行代替。然而，由船體板材、型材測厚記錄表可知，各構件測厚數(shù)據(jù)經(jīng)常包含幾個測點，若利用平均值進行強度校核，則容易忽略大深度蝕坑處的應力集中，計算結果偏于危險，但若以最小厚度作為該板的剩余厚度，又容易低估船體剩余強度，造成不必要的退役。由于規(guī)范計算法不能反映蝕坑處應力集中，所以需要與有限元法進行對比[5]。本文所取的算例為一單層底船體梁，其外板、縱骨剖面要素分別見表2、表3。

圖2　邊界條件

圖3　耦合約束與施加總縱彎矩

位置線位移約束角位移約束δxΔyδzθxθyθz縱中剖面(半寬模型)固定固定固定節(jié)點G(全寬模型)固定端面A、B相關相關相關獨立點H(端面A)固定固定固定固定彎矩獨立點H(端面B)固定固定固定彎矩

表2　剖面要素表(外板)

表3　剖面要素表(縱骨)

考慮腐蝕減薄之后，在中拱狀態(tài)下，用有限元法計算時船舯剖面應力云圖如圖4所示，各構件中拱應力填入表3中。用船體梁彎曲理論計算時分別使用船體構件平均腐蝕厚度和最大腐蝕厚度數(shù)據(jù)計算的各構件中拱應力結果填入表4中。

圖4　中拱應力云圖

表4　3種方法計算中拱彎曲應力結果

根據(jù)表4的計算結果，數(shù)值仿真值介于使用平

均減薄值和最大減薄值計算結果之間，符合客觀事實，且使用平均減薄值計算的中拱彎曲應力更接近數(shù)值仿真結果，對于兩者之間的誤差在于使用平均減薄值計算的應力值沒有考慮局部腐蝕所帶來的應力集中。對于含點腐蝕缺陷的船外板，用總縱彎曲應力第一次近似計算結果乘以應力集中系數(shù)有望提高計算結果的精度。根據(jù)張岳林等的計算結果[5]，當腐蝕厚度小于板厚的10%時，應力集中系數(shù)約為2，10%～30%時應力集中系數(shù)約為2.5，超過30%時應力集中系數(shù)可按3計算。

4結論

(1)對于老齡船體，考慮腐蝕、變形等因素影響后，船體中拱、中垂彎矩較新船有所減小，因此根據(jù)新船的剪力彎矩計算書計算老齡船體的受力是偏于安全的。

(2)在使用規(guī)范計算法計算總縱彎曲應力的過程中，使用平均減薄數(shù)據(jù)比使用最大減薄數(shù)據(jù)計算的應力值更接近仿真結果。

參考文獻：

[1]戴仰山，沈進威，宋競正. 極限強度校核中的幾個問題[J]. 中國造船，2007，48(1)：102-105.

[2]付森宗. 艦船結構總縱強度可靠性分析的一種新方法[J]. 中國造船，2011，52(2)：124-129.

[3]中國船級社. 鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范[M]. 北京：人民交通出版社，2012.

[4]朱錫，吳梵. 艦艇強度[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[5]張岳林,彭飛,牟金磊.單點腐蝕參數(shù)對船體板應力集中影響研究[J].船舶工程,2015,37(3):66-69.

中圖分類號：U661.43

文獻標志碼：A

作者簡介：陳武(1989—)，男，助理工程師，從事艦船設計制造維修工程；張岳林(1990—)，男，助理工程師，從事艦船設計制造維修工程；蘇里陽(1991—)，男，助理工程師，從事電子信息工程。

收稿日期：2015-07-28