散貨船底凳與內(nèi)底相交處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

朱培培，葉仁凱，盛利賢，竹 亮

(1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2.揚(yáng)州海翔船舶科技有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

0 引言

散貨船作為當(dāng)今國(guó)際航運(yùn)市場(chǎng)的三大主力船型之一，主要用于干散貨運(yùn)輸，其運(yùn)輸量的不斷增加也對(duì)其結(jié)構(gòu)安全提出了更高的要求。本文以某21萬t散貨船為研究對(duì)象，根據(jù)HCSR規(guī)范要求，采用有限元方法對(duì)該散貨船底凳與內(nèi)底相交處進(jìn)行局部細(xì)網(wǎng)格強(qiáng)度分析和疲勞精細(xì)網(wǎng)格強(qiáng)度分析，詳盡闡述了該節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算要求和加強(qiáng)思路，為后續(xù)散貨船該節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度校核與加強(qiáng)提供參考。

1 計(jì)算要求

1.1 局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

細(xì)網(wǎng)格評(píng)估區(qū)域分為強(qiáng)制區(qū)域和篩選區(qū)域，根據(jù)規(guī)范《Common Structural Rules for Bulk Carriers and OilTankers》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)第一部分第七章第三節(jié)的要求：橫向底凳與雙層底縱桁的連接處在貨艙區(qū)域內(nèi)需進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格篩選評(píng)估。

1.1.1細(xì)網(wǎng)格篩選

橫向底凳與雙層底縱桁連接處的三艙段粗網(wǎng)格應(yīng)力若滿足篩選衡準(zhǔn)要求，則無需進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格分析，反之則需。其篩選衡準(zhǔn)為：

λy≤0.75λyperm

式中：λy為粗網(wǎng)格屈服利用系數(shù)。

對(duì)于板單元而言：

式中：σvm為Von Mises應(yīng)力，MPa；RY為名義屈服應(yīng)力，取235/k，k為材料系數(shù)；λyperm為粗網(wǎng)格許用屈服利用系數(shù)，對(duì)于S+D(靜載荷+動(dòng)載荷)工況：λyperm=1，對(duì)于S(靜載荷)工況：λyperm=0.8。

1.1.2細(xì)網(wǎng)格建模

細(xì)化區(qū)域的網(wǎng)格尺寸應(yīng)不大于50 mm×50 mm，細(xì)化范圍應(yīng)由校核區(qū)域向各個(gè)方向延伸不少于10個(gè)單元。

1.1.3有限元載荷組合

細(xì)網(wǎng)格分析應(yīng)對(duì)所有適用于相應(yīng)艙段分析的有限元載荷組合進(jìn)行。

1.1.4細(xì)網(wǎng)格評(píng)估衡準(zhǔn)

λf≤λfperm

式中：λf為細(xì)網(wǎng)格屈服利用系數(shù)。

對(duì)于板單元而言：

式中：λfperm為細(xì)網(wǎng)格許用屈服利用系數(shù)。靠近焊縫的單元，對(duì)于S+D工況：λfperm= 1.50ff；對(duì)于S工況：λfperm= 1.20ff。ff為疲勞系數(shù)，一般而言：ff=1.0；如果按照《規(guī)范》對(duì)該細(xì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析并且滿足要求，則：ff= 1.2。

1.2 疲勞強(qiáng)度分析

1.2.1疲勞評(píng)估區(qū)域

疲勞評(píng)估分為強(qiáng)制區(qū)域和篩選區(qū)域。《規(guī)范》第九章第二節(jié)規(guī)定：對(duì)于壓載貨艙，位于雙層底桁材處的橫艙壁底凳與內(nèi)底相交處是疲勞強(qiáng)制評(píng)估區(qū)域；對(duì)于不作為壓載貨艙的EA貨艙、FA貨艙，橫艙壁底凳與內(nèi)底連接處是疲勞篩選評(píng)估區(qū)域。

1.2.2精細(xì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)建模

本節(jié)點(diǎn)為“a”型節(jié)點(diǎn)。對(duì)于“a”型節(jié)點(diǎn)精細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域的網(wǎng)格尺寸應(yīng)不大于tn50mm×tn50mm(tn50為扣除一半腐蝕后的凈厚度)，細(xì)化范圍應(yīng)由校核區(qū)域向各個(gè)方向延伸不小于10個(gè)單元。

1.2.3有限元載荷組合

對(duì)每一種裝載工況，疲勞評(píng)估的動(dòng)載荷組合應(yīng)考慮所有的疲勞載荷工況，最后用于疲勞評(píng)估的是所有疲勞載荷工況中熱點(diǎn)位置疲勞應(yīng)力幅值最大的載荷工況。

1.2.4疲勞評(píng)估衡準(zhǔn)

TF≥TDF

式中：TF為計(jì)算疲勞壽命；TDF為設(shè)計(jì)疲勞壽命，一般不小于25 a。

2 實(shí)例分析

以某21萬t散貨船為研究對(duì)象，其主尺度要素為：船長(zhǎng)294 m，船寬50 m，型深25.2 m。應(yīng)用LR/CSR FE Analysis軟件對(duì)該散貨船重壓載艙(第6貨艙)、重貨艙(第5貨艙)、輕貨艙(第4貨艙)的縱桁處橫艙壁底凳與內(nèi)底相交位置進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估。圖1為該相交節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖。該節(jié)點(diǎn)處所有材料均采用H36高強(qiáng)度鋼，材料系數(shù)k為0.72。計(jì)算時(shí)，對(duì)S工況下的屈服利用系數(shù)進(jìn)行處理，將其除以系數(shù)0.8，使S工況下的衡準(zhǔn)值與S+D工況下的衡準(zhǔn)值保持統(tǒng)一，則粗網(wǎng)格許用屈服利用系數(shù)λyperm取1，焊接區(qū)域細(xì)網(wǎng)格許用屈服利用系數(shù)λfperm取1.50；若疲勞強(qiáng)度滿足要求，λfperm取1.80。

圖1 橫艙壁底凳與雙層底縱桁相交位置示意

2.1 細(xì)網(wǎng)格篩選

本算例四、五、六艙三艙段粗網(wǎng)格結(jié)果顯示：除靠近舷側(cè)的一根旁縱桁外，其他縱桁對(duì)應(yīng)的該節(jié)點(diǎn)粗網(wǎng)格屈服利用系數(shù)均大于0.75λyperm，需進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化分析。

2.2 細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力結(jié)果與加強(qiáng)分析

2.2.1三種分析方式研究

表1顯示橫向底凳與內(nèi)底的連接位置在四艙后橫艙壁中縱桁處采用三種不同方法所得出的加強(qiáng)方案和應(yīng)力結(jié)果。

方法1：采用粗網(wǎng)格分析，對(duì)相關(guān)構(gòu)件加厚使其粗網(wǎng)格屈服利用系數(shù)小于等于0.75λyperm，從而后續(xù)無需進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格分析。

方法2：不考慮疲勞強(qiáng)度，采用粗網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格兩者相結(jié)合的方式進(jìn)行分析，對(duì)相關(guān)構(gòu)件加厚使其滿足衡準(zhǔn)要求。

方法3：使疲勞強(qiáng)度滿足衡準(zhǔn)要求，采用粗網(wǎng)格、細(xì)網(wǎng)格、精細(xì)網(wǎng)格三者相結(jié)合的方式進(jìn)行分析，對(duì)相關(guān)構(gòu)件加厚使其滿足衡準(zhǔn)要求。

表1 三種計(jì)算方法結(jié)果對(duì)比

從表1結(jié)果對(duì)比表明：方法1增加的板厚最多，結(jié)構(gòu)重量最重，其次為方法2、方法3。因此，為有效降低結(jié)構(gòu)重量、增加載貨量，對(duì)于橫向底凳與內(nèi)底的連接處采用粗網(wǎng)格、細(xì)網(wǎng)格、精細(xì)網(wǎng)格三者相結(jié)合的方式最為合理。

2.2.2細(xì)網(wǎng)格加強(qiáng)研究

粗網(wǎng)格結(jié)果顯示：縱桁、底凳隔板應(yīng)力較大，需局部嵌入500 mm×500 mm的插厚板，以下細(xì)網(wǎng)格分析時(shí)將以各艙中縱桁處尾端底凳與內(nèi)底相交處節(jié)點(diǎn)為對(duì)象進(jìn)行分析闡述。一般情況下，插厚板厚度不能超過相鄰板厚的2倍[1]，故插厚板板厚不能一味加大，而是通過加大其相鄰構(gòu)件板厚來降低整體應(yīng)力。

本算例將采用粗網(wǎng)格、細(xì)網(wǎng)格、精細(xì)網(wǎng)格三者相結(jié)合的方式進(jìn)行分析，有限元模型如圖2所示。若疲勞強(qiáng)度滿足要求，相應(yīng)細(xì)網(wǎng)格屈服利用系數(shù)許用值可放大1.2倍。由于底凳隔板規(guī)范未定義其熱點(diǎn)，船級(jí)社認(rèn)為其疲勞系數(shù)只能取做1。

圖2 有限元模型

以六艙重壓載艙為例(其他貨艙經(jīng)驗(yàn)證結(jié)論相似)，初始縱桁、內(nèi)底板、肋板、隔板、斜板的板厚分別為16.5、22.0、15.0、13.0、21.5 mm，計(jì)算得到的縱桁應(yīng)力為860.41 MPa，隔板應(yīng)力為562.94 MPa。通過控制變量法進(jìn)行計(jì)算，得到單一構(gòu)件板厚變化引起縱桁、隔板應(yīng)力變化的情況，其結(jié)果見表2。從結(jié)果可以看出：

(1)增加構(gòu)件板厚能有效減小縱桁應(yīng)力的構(gòu)件依次為縱桁板、內(nèi)底板、肋板。

(2)增加底凳斜板、底凳隔板板厚會(huì)增大縱桁應(yīng)力。

(3) 增加構(gòu)件板厚能有效減小底凳隔板應(yīng)力的構(gòu)件依次為底凳斜板、底凳隔板、肋板、內(nèi)底板。

(4)增加縱桁板厚會(huì)增大底凳隔板應(yīng)力。

表2 構(gòu)件板厚變化對(duì)縱桁和隔板應(yīng)力的影響

2.2.3細(xì)網(wǎng)格分析結(jié)果

按照細(xì)網(wǎng)格分析要求，統(tǒng)籌考慮所有相鄰構(gòu)件的影響最終確定構(gòu)件尺寸。由于篇幅有限，表3只顯示各艙中縱桁處尾端底凳與內(nèi)底相交處加強(qiáng)后的最終屈服利用系數(shù)結(jié)果。

表3 中縱桁處尾端底凳與內(nèi)底相交處屈服利用系數(shù)結(jié)果

2.3 疲勞強(qiáng)度分析

本算例六艙是重壓載艙。為疲勞強(qiáng)制計(jì)算的艙，四艙、五艙需進(jìn)行疲勞篩選來決定是否需要進(jìn)行精細(xì)網(wǎng)格分析。考慮到四艙、五艙細(xì)網(wǎng)格屈服利用系數(shù)較大，本算例將直接對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算，以期能增大細(xì)網(wǎng)格屈服利用系數(shù)許用值。

橫艙壁底凳與內(nèi)底相交處熱點(diǎn)位置示意圖如圖3所示。基于上述細(xì)網(wǎng)格最終板厚結(jié)果，對(duì)三個(gè)貨艙中縱桁處尾端底凳與內(nèi)底連接位置進(jìn)行熱點(diǎn)疲勞評(píng)估，評(píng)估結(jié)果見表4。

從表中結(jié)果可以看出，三個(gè)貨艙中縱桁處尾端底凳與內(nèi)底相交處的熱點(diǎn)疲勞壽命大于設(shè)計(jì)疲勞壽命25 a，疲勞強(qiáng)度均滿足要求，因此上述最終細(xì)網(wǎng)格結(jié)果也滿足規(guī)范衡準(zhǔn)要求。從表4中還可以看出，各艙內(nèi)底所對(duì)應(yīng)熱點(diǎn)疲勞壽命最小。當(dāng)內(nèi)底疲勞壽命不滿足規(guī)范要求時(shí)，可加大內(nèi)底板厚[2]，此時(shí)對(duì)細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力結(jié)果也是有利的。

圖3 橫艙壁底凳與內(nèi)底相交處熱點(diǎn)位置示意圖

熱點(diǎn)位置TF /a四艙五艙六艙熱點(diǎn)1: 貨艙一側(cè)的內(nèi)底板44.9832.0146.71熱點(diǎn)2: 貨艙一側(cè)的底凳斜板109.2045.9661.76熱點(diǎn)3:貨艙下,與底凳斜板對(duì)齊的支撐實(shí)肋板相連的縱桁79.4245.5579.02熱點(diǎn)4:底凳下,與底凳斜板對(duì)齊的支撐實(shí)肋板相連的縱桁214.25150.72119.74熱點(diǎn)5: 與底凳板對(duì)齊的雙層底支撐實(shí)肋板1 535.75429.24739.65

3 結(jié)論

本文依據(jù)HCSR規(guī)范要求，通過有限元計(jì)算軟件對(duì)某21萬 t散貨船的底凳與內(nèi)底相交處進(jìn)行強(qiáng)度分析，包括局部細(xì)網(wǎng)格強(qiáng)度分析和疲勞精細(xì)網(wǎng)格強(qiáng)度分析。

(1)局部強(qiáng)度方面。采用粗網(wǎng)格、細(xì)網(wǎng)格、精細(xì)網(wǎng)格三者相結(jié)合的方式，能有效控制板厚增加，使結(jié)構(gòu)重量降低。縱桁、隔板應(yīng)力結(jié)果較大，單純加大構(gòu)件本身的厚度很難滿足規(guī)范要求，應(yīng)考慮通過加大相鄰其他構(gòu)件板厚來降低整體應(yīng)力，使各構(gòu)件應(yīng)力滿足衡準(zhǔn)要求。

(2)疲勞強(qiáng)度方面。本算例三艙在滿足細(xì)網(wǎng)格要求的板厚基礎(chǔ)上計(jì)算得出的疲勞壽命均滿足設(shè)計(jì)疲勞壽命要求，但各艙內(nèi)底板所對(duì)應(yīng)的熱點(diǎn)疲勞壽命富余不大，尤其是重貨艙，而加大內(nèi)底板厚對(duì)疲勞和細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力結(jié)果都是有利的。