淺析總縱彎曲對(duì)舷墻強(qiáng)度的影響

盧潤澤 必維船級(jí)社（中國）有限公司

在對(duì)常規(guī)船型的舷墻進(jìn)行設(shè)計(jì)或強(qiáng)度校核的過程中，由于舷墻往往布置在船舶艏艉且連續(xù)長度較短，因此通常認(rèn)為舷墻受船體梁總縱彎曲的影響較小，各船級(jí)社的規(guī)范公式也沒有考慮船體梁應(yīng)力的影響。但是對(duì)于某些特殊船型，例如科考船或輔助用途船，舷墻有時(shí)會(huì)設(shè)計(jì)在船舶中段，且有一定的連續(xù)長度，此時(shí)會(huì)有設(shè)計(jì)人員提出疑問，是否需要在一定程度上考慮船體梁應(yīng)力對(duì)舷墻強(qiáng)度的影響，進(jìn)而在規(guī)范要求厚度的基礎(chǔ)上適當(dāng)加厚。

針對(duì)這種特殊情況，本文以某科考船型為算例，使用有限元方法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行屈服及屈曲強(qiáng)度的評(píng)估，并與規(guī)范現(xiàn)有要求進(jìn)行對(duì)比，為日后的設(shè)計(jì)及校核工作提供一定的實(shí)例依據(jù)。

1.有限元模型

1.1 船舶簡介

本文選取國外某科考船型作為算例，該船型0.5L之前為上層建筑，舷墻存在于艉部至上層建筑之間，主要參數(shù)見表1。

表1 船舶主要參數(shù)

1.2 有限元模型建立

1.2.1 建模方法與原則

本次計(jì)算使用Fe map 作為有限元建模及后處理軟件，MSC.Nastran作為解算器，對(duì)船舶中體艙段進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了板單元、梁單元的適當(dāng)組合。其中，板單元主要用于模擬甲板板、底板、艙壁板等結(jié)構(gòu)；梁單元主要用于模擬縱骨、艙壁垂直和水平扶強(qiáng)材等構(gòu)件，并考慮偏心的影響。

1.2.2 模型優(yōu)化

首先，由于本次分析主要目標(biāo)為舷墻，因此主船體部分模型僅以中橫剖面為基礎(chǔ)建立，并保證了主要縱橫艙壁對(duì)于主船體的有效剛性支撐，并未對(duì)過多的小艙室進(jìn)行建模。

其次，為了能得到比較理想的計(jì)算結(jié)果，在建立舷墻模型時(shí)忽略了一些功能性開孔，如導(dǎo)纜孔或舷墻門等結(jié)構(gòu)。具體模型見圖1。

圖1 完整模型

1.2.3 對(duì)比模型

另外，為了研究舷墻對(duì)于船體梁強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，將完整模型中的舷墻結(jié)構(gòu)刪除后再次計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，工況只按照完整模型中的中拱工況進(jìn)行分析，邊界條件與加載方式則與完整模型保持一致。

2.載荷選取

2.1 強(qiáng)度計(jì)算工況

本次計(jì)算僅通過施加總縱彎矩來分析船體梁應(yīng)力在舷墻中的傳遞分布，不考慮局部載荷對(duì)于船體結(jié)構(gòu)的影響，其中靜水彎矩為裝載手冊(cè)中的包絡(luò)值，波浪彎矩則按照規(guī)范[1]公式計(jì)算得到，見表2。

表2 船體梁彎矩

2.2 邊界條件

將目標(biāo)艙段向前后各延伸兩個(gè)強(qiáng)框架，緩沖邊條條件對(duì)目標(biāo)分析區(qū)域的影響，將模型一端剛固，另一端各構(gòu)件所有自由度通過MPC相關(guān)到獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，并將船體梁彎矩施加到該獨(dú)立節(jié)點(diǎn)。

圖3 中垂總縱應(yīng)力云圖-完整模型

圖4 中拱總縱應(yīng)力云圖-無舷墻模型

3.結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

分析得到的應(yīng)力分布如圖2-4所示，其中右舷應(yīng)力云圖為x向中面應(yīng)力，等同于船體梁應(yīng)力。

圖2 中拱總縱應(yīng)力云圖-完整模型

根據(jù)BV規(guī)范，該船舷墻要求的最小厚度為6mm，設(shè)計(jì)厚度為8mm。按照規(guī)范對(duì)舷墻板格分別進(jìn)行屈服屈曲評(píng)估，并將評(píng)估結(jié)果分別于上述值進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算過程中局部海水壓力按照規(guī)范公式計(jì)算，船體梁應(yīng)力則從有限元分析結(jié)果中讀取。

3.1 屈服強(qiáng)度評(píng)估

考慮屈服影響的板厚計(jì)算公式為：

式中：

ps——海水靜載，0kN/m2；

pw——海水動(dòng)載，7.1kN/m2；

τ1——船體梁剪應(yīng)力，0N/mm2；

σx1——船體梁正應(yīng)力，68.3N/mm2；

其余參數(shù)見規(guī)范定義。

計(jì)算得到的要求板厚為3.19mm，結(jié)果遠(yuǎn)小于規(guī)范要求最小板厚，評(píng)估結(jié)果安全。

3.2 屈曲強(qiáng)度評(píng)估

屈曲評(píng)估采用僅雙邊受壓受彎的屈曲模型，僅讀取中垂工況下的船體梁應(yīng)力進(jìn)行屈曲分析。

考慮屈曲影響的板厚計(jì)算公式為：

式中：

σb——船體梁壓應(yīng)力，54.39N/mm2；

σE——?dú)W拉屈曲應(yīng)力，63.72N/mm2；

其他參數(shù)見規(guī)范定義。

計(jì)算得到的要求板厚為7.85mm，已經(jīng)超過規(guī)范要求最小板厚，但是仍小于設(shè)計(jì)板厚，評(píng)估結(jié)果安全。

4.結(jié)論

首先，通過觀察應(yīng)力分布可以看出，舷墻的中段區(qū)域應(yīng)力大小已經(jīng)與舷頂列板處幾乎一致。盡管排水舷口設(shè)置較為密集，但是由于舷墻的橫向支撐肘板被主船體強(qiáng)框架有效支撐，受主船體整體變形的影響比較顯著，迫使舷墻參與總縱彎曲。

其次，經(jīng)過對(duì)比計(jì)算結(jié)果可以看出，船體梁應(yīng)力對(duì)于舷墻的屈服安全性影響不大，但是在屈曲安全性方面，板厚要求值已經(jīng)超過規(guī)范要求的最小厚度且十分臨近設(shè)計(jì)值。因此，當(dāng)船型尺寸繼續(xù)增大時(shí)，應(yīng)當(dāng)增加相應(yīng)的屈曲計(jì)算來考慮總縱彎曲對(duì)于舷墻的影響，或者在設(shè)計(jì)過程中增加舷墻門或者欄桿之類的設(shè)置來打斷舷墻的連續(xù)性，降低舷墻參與總縱彎曲的百分比。

值得注意的是，對(duì)比完整模型與無舷墻模型的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)舷頂列板處的船體梁應(yīng)力變化不大，可以看出盡管舷墻參與了總縱彎曲，但對(duì)船體梁強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不大。因此，在日后的設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)這種特殊船型，可以從常規(guī)的無舷墻模型中先讀取舷頂列板處的船體梁應(yīng)力，用來對(duì)舷墻進(jìn)行試算分析，通過試算結(jié)果來大致評(píng)判是否需要對(duì)舷墻作進(jìn)一步的有限元分析。