可拆解組合式船舶結(jié)構(gòu)關(guān)鍵方法研究

張榮鑫

（中國(guó)船級(jí)社大連分社 大連116013）

引 言

隨著國(guó)際對(duì)石油、天然氣等需求的不斷擴(kuò)大，勘探范圍也在海洋和內(nèi)陸湖泊之間不斷轉(zhuǎn)換。中國(guó)石油集團(tuán)在進(jìn)行全球石油勘探作業(yè)時(shí)就需要采用組合式氣槍震源船。該船主要能夠用于沿海遮蔽區(qū)域、灘涂區(qū)域以及從海上難以直接駛?cè)氲母蹫硡^(qū)域進(jìn)行勘探作業(yè)。由于有些區(qū)域船舶無(wú)法直接駛?cè)耄仨毻ㄟ^(guò)陸路運(yùn)輸才能進(jìn)入，需要把船體分解成若干個(gè)模塊進(jìn)行運(yùn)輸，到達(dá)作業(yè)區(qū)域后再組裝成整體實(shí)現(xiàn)作業(yè)需要，這樣能降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)備使用效率。

船體各模塊間采用螺栓連接并能使其達(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度、穩(wěn)性等要求，從而滿足CCS 規(guī)范要求。由于該類(lèi)船舶屬于新穎設(shè)計(jì)，現(xiàn)階段無(wú)相應(yīng)的規(guī)范要求及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因而在設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)審核中就需要綜合考慮各方面因素，使其既合理可行，又能與規(guī)范的要求趨于一致。

該船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：一是確認(rèn)橫艙壁連接處螺栓強(qiáng)度如何滿足總縱強(qiáng)度、橫向強(qiáng)度的要求；二是確認(rèn)縱艙壁連接處螺栓強(qiáng)度如何滿足橫向強(qiáng)度的要求；三是確認(rèn)其他部位如艏樓與主甲板間、甲板室與主甲板間及甲板室之間、舷墻與主甲板間等螺栓強(qiáng)度。本文提出了船體梁-螺栓強(qiáng)度等效原則和橫向結(jié)構(gòu)-螺栓強(qiáng)度等效原則，并參考集裝箱慣性力理論、船首上浪力及錨機(jī)錨泊力等綜合因素，對(duì)以上三方面關(guān)鍵技術(shù)的螺栓強(qiáng)度進(jìn)行分析，圓滿地完成了審核任務(wù)。該船于2013 年建造完畢，運(yùn)營(yíng)航行于各水域進(jìn)行勘察作業(yè)，為我國(guó)石油勘探發(fā)揮了應(yīng)有的作用。

1 具體案例

案例船為可拆解組合式震源船，主要工作區(qū)域?yàn)檠睾；騼?nèi)陸河、湖，實(shí)船如圖1 所示，主尺度參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 組合式氣槍震源船實(shí)船

表1 案例船主尺度參數(shù)

全船共分為12 個(gè)模塊，主甲板以下有7 個(gè)模塊（懸艉部1，艉部P/S 各1，中部P/S 各1，艏部P/S 各1），艏樓1 個(gè)模塊，甲板室4 個(gè)模塊。

甲板縱/橫向螺栓布置情況如下頁(yè)圖2 所示。具體的螺栓座及螺栓連接詳圖見(jiàn)下頁(yè)圖3 所示，其中螺栓三視圖見(jiàn)圖3（b），其余類(lèi)似；螺栓底座與船體結(jié)構(gòu)直接焊接，如圖3（a）中紅圈內(nèi)所示；螺栓底座接觸處為凹凸式階梯狀結(jié)構(gòu)，如圖3（a）、（b）中藍(lán)圈內(nèi)所示，螺栓不承擔(dān)剪力，底座部分承擔(dān)剪力；橫艙壁處的螺栓軸向?yàn)榇L(zhǎng)方向，縱艙壁處甲板/船底的螺栓軸向?yàn)榇瑢挿较颉?/p>

2 船體梁—螺栓強(qiáng)度等效原則

由于船體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，通常將船體視為理想化的一變斷面空心薄壁梁。船體總縱彎曲發(fā)生在兩個(gè)平面：垂直平面和水平平面。船體梁抵抗在外力作用下沿其縱向垂直/水平面內(nèi)所發(fā)生的彎曲能力為總縱強(qiáng)度。由于作用于船體上最多力的方向是垂直的，當(dāng)船舶迎浪航行時(shí)，在垂直平面內(nèi)彎曲引起的應(yīng)力對(duì)總強(qiáng)度是決定性的。確定船體總縱彎曲應(yīng)力計(jì)算方法的選擇取決于載荷特性、船舶主尺度的比值、所確定的船體應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)成分的類(lèi)型以及計(jì)算精度的要求［1］。

圖2 螺栓布置圖（甲板&橫艙壁）

船體是在自平衡作用下彎曲的非等剖面梁。按照平剖面和法向剖面假設(shè)在船體縱向構(gòu)件中的法向應(yīng)力按下式［2］確定：

式中 ：σ為應(yīng)力，N/mm2；M為彎矩， KN·m；I為慣性矩，cm4；z為中和軸到構(gòu)件的距離， m。

作為梁彎曲工程理論基礎(chǔ)的假定體系含有一定的矛盾，如式（1）必須在船體剖面沒(méi)有剪應(yīng)力為前提，但實(shí)際上剪應(yīng)力存在。為了確定剪應(yīng)力采用茹拉夫斯基定理，按式（2）確定：

式中：τ為剪應(yīng)力，N/mm2；S為位于要確定應(yīng)力的高度上面/下面的橫剖面截取部分的靜矩，cm3；δ為船體橫剖面輪廓在該高度處的總厚度，mm。

最大法向應(yīng)力發(fā)生在距剖面中和軸最遠(yuǎn)的構(gòu)件上，而最大剪應(yīng)力發(fā)生在中和軸上。如果船體有些結(jié)構(gòu)由彈性模量Ei的材料建成，它不同于基本船體材料的彈性模量E0，則這些構(gòu)件的剖面面積應(yīng)帶有等于比值λ=Ei/E0的相應(yīng)折減系數(shù)計(jì)入等值梁內(nèi)［1］。

可拆解組合式船舶縱向各模塊間采用螺栓連接，因而導(dǎo)致了其縱向構(gòu)件的不連續(xù)性（參見(jiàn)圖1所示）。船體梁-螺栓強(qiáng)度等效原則就是船體梁縱向螺栓連接處其慣性矩/剖面模數(shù)不變?cè)瓌t，保證船體梁的總縱強(qiáng)度不變，即此處螺栓強(qiáng)度與船體梁強(qiáng)度等效。根據(jù)該原則及CCS 規(guī)范［3］對(duì)船體總縱強(qiáng)度橫剖面的計(jì)算要求，假定橫艙壁螺栓連接處的用螺栓替代船體板及縱向構(gòu)件時(shí)，僅承受總縱彎曲不承受剪力，則滿足：

式中：IV1和IV0分別為螺栓處橫剖面垂向慣性矩與船體橫剖面垂向慣性矩，cm4；IT1和IT0分別為螺栓處橫剖面水平慣性矩與船體橫剖面水平慣性矩，cm4；WD1和WD0分別為螺栓處橫剖面甲板處剖面模數(shù)與船體橫剖面甲板處剖面模數(shù)，cm3；WS1和WS0分別為螺栓處橫剖面船底處剖面模數(shù)與船體橫剖面船底處剖面模數(shù)，cm3；S1和S0分別為螺栓處橫剖面面積與船體橫剖面面積，cm2。

由于螺栓的彈性模量未知，以材料的屈服強(qiáng)度代替彈性模量，則λ=σ1/σ0，其中σ1和σ0分別為螺栓和船體材料的屈服強(qiáng)度。由于該剖面還存在剪力，剪力設(shè)計(jì)為由螺栓座承受（螺栓不承受剪力），則該處承受剪力面積應(yīng)滿足：

式中：δ1為螺栓處底座抗剪面面積，cm2。

由此可見(jiàn)，船體縱向模塊連接處滿足式（3）和式（4），則滿足船體梁-螺栓強(qiáng)度等效原則。

3 橫向結(jié)構(gòu)—螺栓強(qiáng)度等效原則

橫向強(qiáng)度是船體橫向結(jié)構(gòu)抵抗相應(yīng)外力的能力。通常橫向強(qiáng)度計(jì)算僅考慮船體所承受的各種局部載荷及舷外水壓力的作用，不考慮船體梁彎矩（包括垂向和水平）的作用。

由于可拆解組合式船舶縱艙壁結(jié)構(gòu)間也采用螺栓連接（見(jiàn)圖1），當(dāng)船舶在斜浪或橫浪航行時(shí)，船底/舷側(cè)受到不對(duì)稱(chēng)波浪力，從而對(duì)螺栓產(chǎn)生力。考慮到該種應(yīng)力水平較低且與CCS 規(guī)范對(duì)船體橫向強(qiáng)度要求類(lèi)似，本文參考CCS 規(guī)范提出了橫向結(jié)構(gòu)-螺栓強(qiáng)度等效原則，即螺栓強(qiáng)度應(yīng)能承受除船體梁彎矩（包括垂向和水平）以外的載荷及舷外水壓力能力。

CCS 規(guī)范［2］對(duì)船體橫向強(qiáng)度計(jì)算采用FEM 方法，其舷外水壓力載荷由靜水壓力和波浪水動(dòng)壓力兩部分組成，載荷作用分布情況見(jiàn)下頁(yè)圖4 所示。

在基線處：

其中：

圖4 載荷作用分布情況

式中：L為船長(zhǎng)，m；d為吃水，m；D為型深，m。

P0按式（9）計(jì)算：

計(jì)算工況分為對(duì)稱(chēng)工況和非對(duì)稱(chēng)工況，計(jì)算衡準(zhǔn)如表2 所示，僅考慮連接船體橫向結(jié)構(gòu)的螺栓強(qiáng)度，其邊界條件為兩端橫艙壁處全約束。

表2 計(jì)算衡準(zhǔn)N/mm2

4 等效計(jì)算

4.1 船體梁—螺栓強(qiáng)度等效計(jì)算

本文采用CCS 規(guī)范計(jì)算軟件COMPASS，計(jì)算螺栓連接處的橫剖面特性，其中定義A 剖面為船體縱向構(gòu)件剖面，B 剖面為螺栓構(gòu)件剖面（螺栓定義為梁結(jié)構(gòu)，按照實(shí)際尺寸建模；剖面中板厚為0 mm，僅將螺栓計(jì)入橫剖面特性計(jì)算），具體模型如圖5 所示。

圖5 橫剖面模型

COMPASS 計(jì)算A、B 橫剖面特性，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 橫剖面特性計(jì)算結(jié)果

由表2 可知，maxλ= 2.694，螺栓為M42，8.8級(jí)（屈服強(qiáng)度640 N/mm2），而λ=σ1/σ0= 640 / 235=2.723 均大于2.694，所以螺栓強(qiáng)度滿足要求。另外由于剪應(yīng)力由螺栓座承受（螺栓座結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2），經(jīng)計(jì)算δ1/S0= 8 553 / 1 675 = 5.11 ≥1，滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上，橫艙壁間承擔(dān)總縱強(qiáng)度的螺栓強(qiáng)度滿足等效原則，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，不需要進(jìn)行其他方法校核。下文對(duì)連接船體結(jié)構(gòu)橫向構(gòu)件的螺栓利用有限元法進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2 橫向結(jié)構(gòu)—螺栓強(qiáng)度等效計(jì)算

根據(jù)文中第3 節(jié)的橫向強(qiáng)度校核方法，本文使用MSC Patran/Nastran 軟件，僅對(duì)縱艙壁連接處的甲板/船底螺栓及螺栓底座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，有限元模型包含甲板板、縱/橫艙壁板、甲板板、實(shí)肋板、螺栓底座板等采用板單元模擬，扶強(qiáng)材、甲板橫梁、螺栓等采用梁?jiǎn)卧M，如圖6 所示。

圖6 橫向強(qiáng)度有限元模型

由于僅考慮橫向強(qiáng)度，故模型未對(duì)舷側(cè)螺栓進(jìn)行有限元建模，僅考慮縱艙壁處的甲板/船底的螺栓結(jié)構(gòu)。按照第3 節(jié)所述方法（載荷、邊界條件、計(jì)算衡準(zhǔn)），經(jīng)計(jì)算結(jié)果如下頁(yè)圖7 所示。

結(jié)果分析：螺栓底座應(yīng)力水平較高，是因其結(jié)構(gòu)局部剛度較大且承擔(dān)螺栓集中力載荷所致；螺栓應(yīng)力水平較低，主要因船舶橫向局部載荷導(dǎo)致橫向分離力較小且垂向的剪力由螺栓底座承擔(dān)所致。

圖7 有限元計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

可拆解組合式船舶屬于一種新穎設(shè)計(jì)，現(xiàn)行規(guī)范體系中沒(méi)有適合的方法對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。本文從船體梁基本原理出發(fā)，結(jié)合CCS 規(guī)范提出了科學(xué)的、合理可行的船體梁-螺栓強(qiáng)度等效原則，橫向結(jié)構(gòu)-螺栓強(qiáng)度等效原則，最終將該理論應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使該項(xiàng)目能夠順利完成，為后續(xù)該類(lèi)船舶設(shè)計(jì)與審圖提供了有益的參考。