客滾船橫向半艙壁結構強度的分析

葉旭,張敏健,徐蓉

(上海船舶研究設計院,上海 201203)

對于擁有多層長上層建筑的客滾船而言,當船舶發生橫搖時,由于受到不對稱風浪載荷和慣性的影響,將產生較大的橫向彎矩,引起船舶橫向撓曲變形。橫向撓曲強度主要靠橫向強框架結構來保證,在上層建筑舷側強肋骨與甲板強橫梁連接處的區域將會出現高應力區。在船寬方向不封閉,大部分為開口設置,只有在靠近舷側區域留有橫向半艙壁結構。橫向半艙壁結構不僅承受甲板上貨物傳遞的垂向載荷,還在抵抗橫搖變形上大有作用,并起到降低橫向肋骨尺寸的作用。為了提高橫向強框結構的抗彎和抗剪能力,客滾船上該區域往往設置橫向半艙壁結構,以解決橫向撓曲變形問題。目前,國內外關于客滾船橫向半艙壁結構的研究有在客滾船結構設計中,上層建筑圍壁采用壓筋板的方式來減重,但對其未進行強度分析[1];對不同截面形狀鋁合金加筋板的極限強度進行計算比較,得出了可用于替代原有鋼質加筋板的設計方案[2];對某大型客滾船艙段進行屈曲強度和熱點疲勞直接計算[3],但沒有分析橫向艙壁結構。考慮以某一大型客滾船的橫向半艙壁結構形式和布置為例,進行屈服強度和屈曲強度校核,根據計算結果重點分析半艙壁結構強度。

1 客滾船的橫向半艙壁結構

在客滾船上層建筑設置這類橫向半艙壁結構后,會影響到總布置和結構設計。在總布置方面,橫向半艙壁結構將對各處所的艙室布置和功能布局帶來影響。比如,在原本寬敞的旅客餐廳內增加了多個局部隔斷,視覺上壓縮了餐廳的空間,這時需要通過家具布置、裝飾設計等方面進行彌補。在結構設計方面,橫向半艙壁結構和甲板強橫梁之間由于剛度差別較大,在和橫梁連接區域會形成應力集中,另外橫向半艙壁和下層甲板連接的區域也會存在類似問題,這些都是設計中需要額外考慮的地方。

出于減少空船重量,降低空船重心位置的目的,在保證結構強度的前提下,客滾船的上層建筑內部除主豎區艙壁以外應盡可能少用帶扶強材的鋼圍壁[4],由于艙室劃分或其他需要而設置的內部艙壁一般采用輕薄的壓筋型結構艙壁,見圖1。

圖1 橫向半艙壁(壓筋型結構)

但采用壓筋型結構艙壁作為客滾船的橫向半艙壁往往是把雙刃劍,雖然可以明顯減少重量、節省焊接工作量,但在結構強度上卻有不可忽視的風險。一方面,壓筋型橫向半艙壁的設計目的是為了功能和布置的需要,板厚較薄,壓筋的尺寸也較小,可以說是往柔性方向來考慮的,傳統意義上的認識認為這種壓筋型結構是不承受應力的;另外一方面,常規設置橫向半艙壁的主要目的是為了抵抗船體垂向和橫向變形,需要較大的剛度來支撐。這兩方面看似比較矛盾的設計需求在客滾船上集中在一起,因此有必要對客滾船的橫向半艙壁結構采用合適的校核方法和合理的設計衡準加以分析。

2 一型客滾船的橫向半艙壁結構形式和布置

2.1 主要參數和布置特點

一型客滾船入級CCS,主要參數如下。

總長～212.00 m; 垂線間長197.00 m;

船寬28.00 m; 型深9.20 m;

滿載吃水/m6.50 m。

上層建筑各層甲板間高度如下。

7～8甲板2.75 m; 8～9甲板3.00 m;

9～10甲板2.75 m; 10～11甲板2.75 m。

該客滾船的上層建筑位于7甲板以上,上層建筑的首部區域主要用以布置旅客住艙、船員處所和駕駛室等,且該區域位于距艏垂線0.35L范圍內。在未設置橫向半艙壁結構時,該客滾船8～9甲板首部區域的旅客住艙、走廊和支柱(圖中圓圈內)布置見圖2。

圖2 客滾船8～9甲板首部區域的旅客住艙、走廊和支柱布置

2.2 橫向半艙壁的布置和結構形式

如圖3所示,取消該客滾船8～9甲板首部區域的舷側支柱,并考慮合適的橫向半艙壁結構跨距后,在舷側房間的分隔處(圖中橢圓內)增加橫向半艙壁結構,每舷4道,間距為3或4個強框架,內側未設置橫向半艙壁處仍保留支柱結構。

圖3 客滾船8～9甲板首部的橫向半艙壁結構布置

如圖4所示,該客滾船上層建筑首部區域的橫向半艙壁結構采用厚度5 mm的壓筋板,并在各層橫向半艙壁的端部自由邊貼扁鋼,有利于提高船舶橫向強框結構的抗彎和抗剪能力,以解決橫向撓曲變形問題。

圖4 7～10甲板上首部區域的橫向半艙壁結構形式

3 橫向半艙壁結構強度計算

一般認為上層建筑區域的壓筋型半艙壁在結構中承受很小的壓力,這在小型客滾船設計中可能影響不大,但隨著船長和船寬的增加,上層建筑層數的增多、橫向半艙壁結構不可避免地將承受船體梁變形帶來的附加應力,同時甲板載荷也會通過橫向強框傳遞到半艙壁結構中,因此對橫向半艙壁結構的強度分析是有必要的。

3.1 屈服強度計算方法和結果分析

3.1.1 計算模型

本船橫向半艙壁結構布置在上層建筑的首尾區域,又以首部區域居多,客滾船通常采用的艙段有限元分析方法由于受模型長度和邊界的影響,不能合理得到出半艙壁結構的應力分布,所以采用全船有限元建模,有限元計算模型覆蓋整個船長、船寬和型深范圍內的主船體、上層建筑等結構,對一些次要構件進行簡化處理[6]。

采用基于縱骨間距的網格來建模,主要支撐構件(包括實肋板、強橫梁、縱桁、強肋骨、支柱等結構)的腹部用板單元來模擬,面板和骨材等采用梁單元模擬,橫向半艙壁結構(壓筋型)模型和網格化分見圖5。

圖5 典型區域橫向半艙壁結構(方框內)及其網格劃分

3.1.2 計算工況

1)局部載荷工況。按照中國船級社《鋼質海船入級規范》[7]對客滾船直接計算的要求,一般需要校核車輛甲板骨架的強橫梁和縱桁的局部強度以及結構的橫向強度。參照該規范的要求,采用均布載荷,分析橫向半艙壁結構的強度,對車輛甲板板架的強度校核不作過多闡述,主要校核正浮工況和橫搖工況。

全船載荷按照CCS客滾船載荷的相關公式以場函數的方式進行施加,第9甲板正浮工況下垂向載荷分布見圖6。

圖6 第9甲板正浮工況垂向載荷分布

2)總縱載荷工況。由于客滾船設置了多層甲板,并且裝載車輛的甲板往往貫通整個船長范圍,一般總縱強度有較大富余,所以縱向結構強度也容易滿足規范要求,以橫向半艙壁結構為分析目標,但由于關注的區域位于距首垂線0.35L范圍內,為了考慮總縱強度對半艙壁結構的影響,需要在有限元模型上施加總縱彎矩載荷。常規貨船的有限元計算,一般調整貨艙的某個位置達到彎矩目標值即可,施加方法較為簡單,而對于客滾船來說,每分析一個位置就調整一次彎矩的做法不現實。故采用施加彎矩包絡線的方法[8],通過將目標彎矩轉換為集中載荷,縱向位置x處集中載荷Fv計算如下。

(1)

x1=x-saft/2

(2)

x2=x+sfwd/2

(3)

Fv施加在舷側外板,強框和主甲板三者相交的位置,為了驗證施加集中力后船體彎矩是否和目標值一致,將Fv沿長度方向積分得到的彎矩和目標彎矩對比見圖7。兩者誤差很小,認為總縱彎矩的調整達到了目標值。

圖7 Fv積分彎矩值和目標彎矩對比

3.1.3 計算結果

1)局部載荷。Fr216處橫向半艙壁結構受均布載荷作用后,正浮和左橫搖工況下的應力結果見圖8。

圖8 Fr216橫向半艙壁結構的應力結果

2)總縱載荷。施加船體梁的總縱彎矩(中拱)后,總縱變形見圖9,橫向半艙壁結構的應力結果見圖10。

圖9 總縱強度下的中拱變形

圖10 橫向半艙壁結構在中拱變形下的應力

3.1.4 結果分析

根據CCS規范,客滾船直接計算的許用相當應力為180/K,K為材料系數,對于普通鋼許用相當應力為180 MPa,對于材質為36的高強度鋼許用相當應力為250 MPa。圖8中的計算結果均滿足屈服強度要求。在局部載荷工況下,橫向半艙壁結構部分區域的屈服應力達到100 MPa以上,而在半艙壁結構和甲板橫梁連接處有應力集中產生,并且最下方半艙壁結構端部區域的屈服應力較大。計算結果證明壓筋型半艙壁結構不承受壓應力的傳統認知是不對的,橫向半艙壁結構的強度問題需要引起關注。

由圖10可見,在總縱載荷工況下,橫向半艙壁結構絕大部分區域應力不大,這與傳統認識一致,即總縱載荷對半艙壁結構的強度影響不大。但結果中的半艙壁結構也出現了應力集中,且高應力出現的范圍基本與局部載荷工況一致,大小約為局部工況的三分之一,所以不能忽略總縱載荷對橫向半艙壁結構的影響。

綜合考慮局部載荷工況和總縱載荷工況,應力集中的區域均發生在橫向半艙壁結構和甲板橫梁連接區域,為了消除應力集中,提高結構安全性,可對此區域進行局部加強。考慮到客滾船上凈空間高度的限制和人員通道的便利性,一般不采用在橫梁端部增設肘板的方式,通常采取增加橫艙壁腹板厚度的方式來改善應力;最下方橫向半艙壁結構的底部端部區域則可以采用插厚板、局部放大趾端來提高船舶橫向強框結構的抗彎和抗剪能力,趾端放大的方案應不能影響該處所原有的功能和布局。

3.2 屈曲強度的計算方法和結果分析

3.2.1 計算方法

對于壓筋型橫向半艙壁結構,由于其板厚較薄,且形狀不規則,其屈曲強度難以通過常規的規范公式進行校核,目前各船級社也未形成統一的有關客滾船屈曲強度的計算規范和方法,本文采用挪威船級社DNV PULS(Panel Ultimate Limit State)軟件對橫向半艙壁結構進行等效模擬(見圖11),以評估其抗屈曲能力。

圖11 橫向半艙壁結構的屈曲校核等效模擬

3.2.2 計算結果

由圖12所示的應力分布來看,Y方向(垂直于壓筋方向)應力普遍不大,Z方向(沿著壓筋方向)應力占主導。為了簡化計算,只考慮Z向應力后的計算結果見圖13。

圖12 橫向半艙壁結構的單向應力(負值表示受壓)

圖13 橫向半艙壁結構的屈曲計算結果

對于厚度為5 mm的壓筋型艙壁結構,在垂向壓應力(沿著壓筋方向)為30 MPa左右時就產失穩現象,這說明壓筋板架的臨界屈曲能力太低,所以屈曲強度需要尤為關注。

3.2.3 結果分析

由前面的屈服強度計算結果可知,在橫向半艙壁結構的某些區域存有大于30 MPa的壓應力,這些區域極有可能屈曲能力不足導致的變形,在某型客滾船上發生過類似的橫向艙壁變形,初步判定為壓筋型橫向半艙壁結構的屈曲能力不足。不過PULS的屈曲計算模型較為簡單,對壓筋型橫艙壁的端部邊界條件很難模擬準確,計算精確性還有待提高,但是計算結果反映的問題真實存在。為了準確得到壓筋型橫向半艙壁結構的抗屈曲能力需要采用更為精確的非線性軟件進行計算,后續應進行更深入的研究。

為了提高整個壓筋板的抗屈曲能力,利用PULS軟件對壓筋板的壓筋間距s及板厚t作一個簡單的靈敏度分析,板架的屈曲利用因子隨s以及t的變化趨勢見圖14。

圖14 屈曲利用因子隨壓筋間距和板厚的變化趨勢

由圖14可見,為了提高橫向半艙壁結構的屈曲利用因子,可將板上的壓筋間距s減小,或者增加壓筋板的板厚t。從變化趨勢上來看,板厚增加對屈曲利用因子的影響要小于壓筋間距改變帶來的影響,但板厚增加能夠降低整個板架的壓應力,屈曲利用因子也會相應降低,因此這兩者需要綜合考慮。

一般情況下,客滾船上層建筑為了設置盡量多的居住艙室、娛樂處所和公共空間等,壓筋的尺寸、位置和數量都有較為嚴格的限制。如果船長方向空間足夠,可以增加壓筋的尺寸,進而提高壓筋板整體的抗屈曲能力。在以上措施比較難以滿足的情況下,可以在橫向半艙壁結構靠近船中的一側(另外一側為舷側外板)設置支柱,將半艙壁結構承受的部分應力轉為通過支柱來承擔,同時支柱可增強板架邊界的約束能力,對整個半艙壁結構的抗屈曲能力也有較大貢獻。但若取消半艙壁結構而僅設置支柱,則會導致支柱端部應力集中問題更為凸顯,所以橫向半艙壁結構作為客滾船橫向抗撓曲強度的重要組成部分不可或缺,如何合理地協調橫向半艙壁結構和端部支柱的設計也是今后的研究內容。

4 結論

大型客滾船上層建筑自身的橫向撓曲強度及其引起的變形問題需加以重視,否則極易產生裂紋,影響船舶內部的美觀、功能和安全性。上層建筑橫向半艙壁結構承受局部載荷引起的應力,以往將壓筋型橫艙壁視為不承力結構的認識是有欠缺的,在半艙壁結構端部區域需要局部增厚。

1)總縱彎矩對向半艙壁結構的影響較小,但局部區域仍會有不可忽視的應力集中,因此校核橫向半艙壁屈服強度時需要考慮總縱載荷的影響,在局部強度校核中留一部分余量。

2)壓筋型橫向半艙壁結構抗屈曲能力較差,在屈服強度滿足規范要求的情況下,還需要考慮屈曲強度,某實船橫向半艙壁的局部變形也反應了屈曲強度的重要性。

3)壓筋的間距和板厚對壓筋板的屈曲能力均有影響,減小壓筋間隙能顯著提高板架的屈曲能力。

大型客滾船的上層建筑尤其是橫向半艙壁結構目前研究較少,常規艙段計算受邊界的影響難以全面地反應出艙壁結構的應力水平,而采用全船建模的方式工作量則較大。因此,后續還需要進一步研究如何較快地評估橫向半艙壁結構強度。另外,本文采用PULS計算壓筋板的屈曲能力,不能很好地反映壓筋形式以及舷側邊界效應對橫向半艙壁結構強度的影響,其計算結果雖能夠反映出壓筋板的屈曲特征,但精確性有待進一步驗證。