船體縱骨的熱點應力分析*

貴志飛 吳劍國 詹志鵠

(1.浙江工業大學建筑工程學院 杭州310014;2.中國船級社上海審圖中心 上海 200135)

船體縱骨的熱點應力分析*

貴志飛1吳劍國1詹志鵠2

(1.浙江工業大學建筑工程學院 杭州310014;2.中國船級社上海審圖中心 上海 200135)

熱點應力;應力集中系數;有限元分析;縱骨

運用MSC.Patran/Nastran軟件,對典型船舶縱向構件進行了熱點應力分析,討論了4種不同因素對節點熱點處的應力集中系數的影響,并總結了其變化規律。

0 引 言

疲勞破壞是船舶結構的主要破壞形式之一,各個節點連接處是疲勞強度的重要校核點。目前,對船體結構進行疲勞分析時,名義應力法是最簡單也是應用最為廣泛的方法。但是,在研究形狀復雜的焊接接頭疲勞強度時,難以明確地給出其名義應力,分析得到的結果分散性很大,且很難給出精確的SN曲線圖。而采用熱點應力評定時,可以對幾類焊接節點形式給出一條S-N曲線,即以一條S-N曲線可以表示不同節點形式焊趾處的疲勞強度,因而可以大大減少節點形式按疲勞強度劃分的級別[1],簡化了節點形式,比用名義應力法具有一定的優越性。

熱點應力方法最早應用于焊接管節點的疲勞分析,現在它的應用范圍越來越廣,已經發展到了所有類型的板結構。熱點應力法的關鍵問題之一是確定熱點應力值和應力集中系數。所謂的熱點應力是指焊接構件節點處最為可能發生疲勞裂紋的起始點(通常在焊趾附近)的應力,多采用有限元計算或應變片實際測量法求解結構熱點應力。目前,已有許多學者對此做了研究,如文獻[2]、[3],規范[4]中也已給出了一個應力集中系數綜合表,但并不夠詳細。

本文是在此基礎上,運用MSC.Patran/Nastran軟件,對典型的船舶縱骨進行了熱點應力分析,討論了4種不同因素對節點熱點處的應力集中系數的影響,并總結了其變化規律,對規范中應力集中系數綜合表做進一步的補充。

1 熱點應力法的基本原理

1.1 熱點應力計算

一般情況下用單元表面最大主應力值計算熱點應力δh

[5],因為與裂紋擴展方向垂直的±45°范圍內的最大正應力對疲勞裂紋的擴展起關鍵作用。所以本文運用兩點線性外推法,取單元表面插值點處的最大主應力值進行線性外推,計算得到熱點應力值,如下式所示:

式中 σt/2、σ3t/2——距焊趾t/2、3t/2處的最大主應力值,其中t為板厚;

若網格劃分時無法控制在t/2及3t/2點處,這兩點處的應力σ應根據所選有限元節點處的應力用Lagrange插值法求得,如圖1所示。計算公式為:

式中:σ1、σ2、σ3、σ4——有限元節點1、2、3、4處的最大主應力值;C1C2C3和C4為系數,應按下列各式計算:

式中 x──插值點距焊趾的距離,mm;

x1、x2、x3、x4──有限元節點1、2、3、4距焊趾的距離,mm。

圖1 熱點應力計算方法

1.2 應力集中系數

熱點應力與名義應力的比值稱為應力集中系數,且應按下式計算:

式中 σh——熱點應力,N/mm2;

σn——名義應力,N/mm2。

本文名義應力值的計算是根據縱骨上的彎曲應力范圍計算公式計算:

式中 S3e——海水動壓力作用下縱骨的彎曲應力范圍,N/mm2。

s──縱骨間距,cm;

l──縱骨跨距,跨距點取在沿端部肘板高度方向上,從縱骨面板量起至等于縱骨一半腹板高度的點,cm;

Ws──縱骨連帶板的凈剖面模數,cm3;

x──縱骨端部到疲勞計算點的距離,cm。

參見文獻[4];

Δp──作用在縱骨上的海水動壓力范圍,kN/mm2。

2 縱骨熱點應力計算模型

本文有限元模型采用四節點板殼單元,熱點附近的單元尺寸不大于受力構件的厚度,范圍按下面的規定選取:

(1)縱向范圍從熱點處向前后分別延伸2個縱骨跨度,兩端的強框架并未建模;

(2)橫向范圍從熱點處向左右分別延伸2個縱骨間距;

(3)垂向范圍延伸至內底板處。

由于只考慮節點在側向壓力作用下熱點處的應力集中系數的變化規律,所以只在模型的底板處施加側向壓力。由于內底結構(包括垂向挺筋端部)離熱點分析區域有足夠的距離,根據圣維南原理,內底結構的邊界條件對熱點處應力影響不大,改變其端部邊界條件試算表明了這一點,故取內底處的邊界條件為固定。模型縱向兩端、橫向兩側由于對稱性,也均取固定。具體有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

本文是以一艘27 000 t散貨船中的縱骨節點為熱點應力評估對象,通過比較分析,隨著側向壓力值的變化,熱點處的熱點應力值和名義應力值都將發生變化,而由兩者相比所得的應力集中系數幾乎保持不變,且當改變底板厚度時,也能得到上述一致結論,具體分析過程可參見本文作者的后續論文。

3 不同節點形式的計算及結果

本文主要考慮了縱骨節點的加水密補板和非水密補板兩種節點連接形式,如圖3所示。

圖3 精細網格的有限元模型

為了改善縱骨端部的局部應力范圍,可通過加大縱骨尺寸、改善縱骨形式、以及添加肘板等方式[6],本文考慮了四種相關因素對兩種節點形式疲勞性能的影響。具體如下:

(1)軟踵尺寸改變對結構的影響;

(2)軟趾尺寸改變對結構的影響;

(3)軟趾圓弧半徑改變對結構的影響;

(4)加設背肘板對結構的影響。

對有限元分析得到的節點應力值進行了分析和整理,得到一系列熱點應力值對應的應力集中系數,如圖4～圖11,并將所得的熱點應力集中系數匯總于表1。

圖4 軟踵半徑變化(非水密)

圖5 軟踵半徑變化(水密)

圖6 軟趾尺寸變化(非水密)

圖7 軟趾尺寸變化(水密)

圖8 軟趾半徑變化(非水密)

圖9 軟趾半徑變化(水密)

圖10 背肘板半徑變化(非水密)

圖11 背肘板半徑變化(水密)

表1 側向壓力下應力集中系數匯總表(不考慮橫艙壁與橫向框架之間相對位移)

注:a為縱骨節點后趾,f為縱骨節點前趾。

由此可見:

(1)開設軟踵時,節點后趾的熱點應力值和應力集中系數減小,而前趾熱點應力值和應力集中系數幾乎保持不變。逐漸加大軟踵的半徑值,前趾和后趾的熱點應力值及應力集中系數幾乎保持不變。所以對節點踵部進行開孔處理,能夠有效改善節點的疲勞性能,但過大的開孔并不能進一步改善其疲勞性能;

(2)在同一軟踵下,設置軟趾能有效減小前趾的熱點應力值和應力集中系數,但會增大后趾的熱點應力值和應力集中系數;

(3)隨著軟趾尺寸的增大,后趾的熱點應力值及應力集中系數略有增大,前趾的熱點應力值略有減小,而前趾的應力集中系數幾乎保持不變。對不同的軟踵開孔半徑值,前后趾的熱點應力值和應力集中系數變化的趨勢相同;

(4)設置背肘板能夠較為顯著的減小后趾的熱點應力值和應力集中系數,可見這是改善節點疲勞性能較為有效的途徑;

(5)通過對節點加水密補板和非水密補板的兩種連接形式的有限元分析可知,兩者規律基本相同。未加設背肘板時,在前趾處,節點兩種連接形式的熱點應力值和應力集中系數相差不大;在后趾處,加非水密補板連接形式算得的應力集中系數較大。在加設背肘板時,節點兩種連接形式的前后趾熱點應力值和應力集中系數都相差不大。

4 結 語

本文以一艘27 000 t散貨船中的縱骨節點為研究對象,總結了部分因素對其熱點處應力集中系數的影響規律。但縱骨的腹板高度與縱骨跨距之比不同,以及內外底縱骨間垂向挺筋的腹板高度和長度與縱骨跨距之比不同都會對其應力集中系數有所影響,此還有待繼續研究。

[1] 霍立興.焊接結構的斷裂行為及評定[M].北京:機械工業出版社,2000.

[2] SHI Li-juan,CUI Wei-cheng.An Investigation into the Uncertainty in the Calculated Hot-spot Stresses of a Shipside Structure Detail[J].Journal of Ship Mechanics,2002,6(6):85～91.

[3] WAN Zheng-quan,XU Bing-han.Stress Concentration Factors of Cutout for Longitudinal[J].Journal of Ship Mechanics,2002,6(3):28～36.

[4] 鋼質海船入級規范(2006)[M].中國船級社,2006.4.

[5] Hobbacher A.Recommendations for fatigue design of welded joints and components[C].IIW Document XIII-1539-96/XV-845-96,Update June 2002.23～31.

[6] 邱海榮.基于雙殼油船結構共同規范的疲勞損傷計算[D].大連理工大學碩士研究生學位論文,2006.12.

Hot Spot Stress Analysis of Hull Longitudinals

Gui Zhifei Wu Jianguo Zhan Zhihu

hot spot stress;stress concentration factor;finite element analysis;long it udinals

Based on the method of hotspotstress,a typical form of hull long it udinals is analyzed in this paper by MSC.Patran/Nastran software.This paper discusses the influences of four different factors on stress concentration factor(SCF)for hot spots of ship connections,and summarizes their variation trend line.

U663.2

A

1001-9855(2010)03-0011-05

2009-11-30

貴志飛(1985-),男,漢族,浙江衢州人,碩士研究生,主要從事鋼結構分析與研究工作。

吳劍國(1963-),男,漢族,江蘇吳縣人,教授,主要從事鋼結構分析與研究工作。

詹志鵠(1970-),男,漢族,湖北人,高級工程師,主要從事船體結構強度分析和研究工作。