單舷側(cè)散貨船肋骨上下端的支撐結(jié)構(gòu)比較分析

崔科科，賀映華，徐興智

(1.上海交通大學(xué)，上海200030;2.常石(上海)船舶設(shè)計有限公司，上海200080;3.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海200129)

在船舶建造運(yùn)營過程中，肋骨上下端的支撐肘板損壞的情況時有發(fā)生。是否可以通過追加肘板末端延伸結(jié)構(gòu)使肋骨上下端的結(jié)構(gòu)更好地過渡，或者通過改變肘板形狀或增加板厚來防止損壞現(xiàn)象的繼續(xù)發(fā)展或再發(fā)生，對此的分析討論具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 分析對象

1.1 對象范圍

以某巴拿馬型散貨船為例，分析單舷側(cè)散貨船的肋骨上下連接結(jié)構(gòu)的有效性。在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通常為了便于船舶建造時的成組裝配和減少失誤，盡量把裝配在同一塊鋼板上的縱骨布置成等間距同尺寸的型材，如圖1中LT7～LT11，LH1～LH5。而LT12和LS29明顯比相鄰區(qū)域的縱骨尺寸大。同樣，LH6和LS26也明顯比相鄰的縱骨尺寸大。這是根據(jù)CSR第六章第二節(jié)對下部和上部連接肘板有剖面模數(shù)和連接長度的具體要求而做的調(diào)整。

另外，LS26也使用了比較大的尺寸，這主要是考慮到在底邊艙為了方便底邊艙上部區(qū)域的焊接和船檢、維修，而特意設(shè)置成比較大的尺寸以便用來作為檢查通道設(shè)施。本文主要針對LT12和LS29，LH6和LS28及所聯(lián)接肘板，在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加4塊延伸結(jié)構(gòu)(見圖2)，與原結(jié)構(gòu)(見圖3)比較，比較肘板上的應(yīng)力分布。進(jìn)而判斷添加的延伸結(jié)構(gòu)是否對在上下端連續(xù)結(jié)構(gòu)即連接肘板的應(yīng)力變化方面起到積極作用。

2 建立模型

2.1 工況分析

因為船舶在實(shí)際航行中會有迎浪，隨浪，橫浪(最大橫搖)，橫浪(最大外部壓力)四種載荷工況，每種又分為中拱和中垂兩種工況。并結(jié)合不同的裝載工況，主要包含的裝載模式有滿載均勻裝載、非滿載，多港，隔艙裝載、連艙隔艙裝載、正常壓載、最大壓載、重壓載即貨艙壓載，以及港內(nèi)工況和試驗工況。實(shí)際船體梁計算時所施加的載荷應(yīng)包含靜水載荷和波浪載荷并分別考慮船體的完整工況，進(jìn)水工況，港內(nèi)工況以及這三種工況下的中拱和中垂工況。

2.2 載荷工況及模型分析

本例為比較計算，所選取的工況比較簡單，主要有工況1，完整工況下施加靜水載荷;工況2，液艙試驗時的靜水壓力;工況3，同時施加加靜水載荷和液艙試驗時的靜水壓力。對模型作比較分析。

對各裝載工況，在外板上施加靜水壓力pS，kPa，水線處及以下為

式中:TLCi——某裝載工況下的吃水，本例取為設(shè)計吃水12.8 m;

ρ——海水密度，ρ=1.025 t/m3;

g——重力加速度取為9.81 m/s2;

圖1 分析對象

Z——載荷點(diǎn)離開船底基線的高度。

則船底基線處為pS=128.7 kPa。

液艙試驗時，作用于板材上的總壓力由下式得出:

式中:ZST——試驗載荷高度，m，

取ZST=ZTOP+2.4=24.075 m。

則船底基線處即的試驗壓力為240.75 kPa。

模型1(見圖2)的肋骨上下端的連接結(jié)構(gòu)由肘板和鄰近的延伸結(jié)構(gòu)組成，模型2(見圖3)的肋骨上下端的連接結(jié)構(gòu)僅由肘板組成，比較兩個模型在不同工況下肘板的相同位置處(見圖4)的應(yīng)力變化(見圖5～8)。

圖4 選取上下支撐中大應(yīng)力處的單元并編號

圖5 模型1的上支撐肘板三種工況下的應(yīng)力分布

2.3 應(yīng)力比較結(jié)果及分析

由以上三種工況下的選取的單元應(yīng)力比較結(jié)果(見圖9、10)不難看出，對于上部連接肘板的支撐肘板而言，增加了相鄰縱骨件的延伸結(jié)構(gòu)后，肘板上的應(yīng)力水平不但沒有下降，反而有所上升。下部連接肘板的支撐肘板僅在靠近縱骨的2個單元處應(yīng)力水平有所下降，其它的均在增加了延伸結(jié)構(gòu)后應(yīng)力水平上升。

如果把對應(yīng)肘板上的全部單元的應(yīng)力結(jié)果都加以比較分析，可以知道無論是對于上部連接肘板的支撐肘板還是下部連接肘板的支撐肘板，都存在這樣的現(xiàn)象:在增加了肘板的相鄰縱骨間的延伸結(jié)構(gòu)后，支撐肘板上的應(yīng)力水平僅在與縱骨相鄰的單元有所降低，而絕大部分的單元應(yīng)力水平都有大幅上升。

究其原因，認(rèn)為對于支撐肘板而言，縱骨的支撐相當(dāng)于肘板的邊界條件，增加了縱骨間的構(gòu)件后，邊界條件過強(qiáng)，導(dǎo)致了應(yīng)力不能均勻向相鄰結(jié)構(gòu)傳遞，支撐肘板上出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中。

3 結(jié)論

如果船舶在實(shí)際的運(yùn)營過程中出現(xiàn)了支撐肘板的破損，一定要在支撐肘板自身做改造，增大肘板的面積或者厚度等，而不可以想當(dāng)然地在肘板的相鄰縱骨間添加延伸結(jié)構(gòu);不然不但無益于結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，無益于降低肘板的局部強(qiáng)度，反而會增加肘板上的應(yīng)力集中程度，從疲勞分析上考慮也加速了此處結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步破壞［1］。本文所選取的工況數(shù)量有限［2］，模型與實(shí)船也有一定的差異，所得結(jié)論僅作為處理肋骨支撐結(jié)構(gòu)破損的參考。

［1］陳有芳，金秋東，張少雄.船舶熱點(diǎn)疲勞強(qiáng)度研究［J］.船海工程，2010(4):5-7.

［2］杜嘉立，楊鹽生，鄭云峰.船舶疲勞強(qiáng)度［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報，2002(4):25-28.