油船結構強度設計和審圖要點

楊 燕

（中國船級社審圖中心，上海 200135）

0 引 言

船舶在航行中受力相當復雜，船體結構在外載荷作用下可能的破壞方式有：1) 屈服，壓載艙過載后，內殼縱骨產生永久變形；2) 屈曲，板格、筋、支柱受壓后失穩；3) 疲勞，縱骨肘板趾端長期承受波浪載荷產生裂縫；4) 脆性斷裂，碳素鋼在低溫下產生脆性斷裂，所以需要嚴格選擇鋼材材料。

為抵抗這些破壞，船體結構需有足夠的強度儲備。要求設計者在船體結構的設計過程中，以及船級社在結構圖紙的審核過程中，都應對結構易于破壞的關鍵部位給予足夠的關注，做到合理的布置、結構加強和優化設計。本文結合油船結構審圖中的經驗，分項列舉了規范校核及有限元計算中，船體結構構件的高應力區域以及需要注意的問題。

1 油船總縱強度

1.1 總縱彎曲應力

由船體梁靜水彎矩和波浪彎矩分布可知，船體梁總縱彎矩在船舯0.4L區域達到最大，因此通常船舯區域的船體梁縱向強力構件應保持連續。為保證總縱強度，國際船級社協會（IACS）在統一要求UR S7和S11中規定了船體梁最小剖面模數和最小慣性矩，共同結構規范（CSR）中也有相似規定，注意船舯0.4L區域內計入船舯最小剖面模數和慣性矩的縱向連續構件尺寸應保持不變[1]。

甲板和船底板作為整個船體梁的翼板，是承受總縱彎曲應力最大的部位。油船由于防污染的要求會設置雙層底，因此距中和軸最遠的甲板，其總縱強度要求無疑是甲板部位最核心的要求。故甲板部位的開孔，應盡量做成長圓形并沿船長方向布置，以減小開孔對船體梁剖面模數的影響，同時可有效降低局部應力集中系數。諸如，甲板縱骨上的扇形孔（往往是流油/水孔）剛好處于分段焊縫處，CSR規定了其扇形孔的長寬比應大于4.0。

1.2 船體梁剪力

由船體梁靜水剪力和波浪剪力分布可知，船體梁剪力往往在橫艙壁處達到最大。32萬 t超大型油船（VLCC）舷側是雙殼結構，舷側外板、內殼縱艙壁及邊縱艙壁是構成整個船體梁的腹板部分，由于舷側外板和內殼縱艙壁距離較近，而邊縱艙壁的位置相對獨立，三者在承擔剪切能力有所不同。相對來說，邊縱艙壁的剪切強度是考核的重點。按CSR的要求，貨油艙之間的縱艙壁應進行剪力修正，這是因為縱艙壁作為橫艙壁水平桁的支座，而橫艙壁水平桁的支座反力，恰恰反映在縱艙壁上是剪力。特別是最下面的水平桁處。為此，縱艙壁在橫艙壁水平桁部位的板厚需要增加，其范圍為橫艙壁水平桁前后一個強框架，在水平桁設置的一邊，應為2個強框架。

2 疲勞強度

2.1 疲勞誘導載荷

疲勞強度分析時的應力長期分布計算，應考慮下列波浪誘導載荷：1) 船體梁垂向和水平波浪彎矩；2)波浪動壓力；3) 船舶運動引起的艙室內動壓力。

2.2 疲勞壽命計算

疲勞壽命可由下式計算：

式中：T——疲勞壽命，年；C——影響疲勞的參數；σΔ——動應力，N/mm2；K——應力集中系數。

眾所周知，動載荷是引起結構疲勞的主要因素，降低應力水平對減少疲勞的貢獻較大。從以上公式可見，動應力下降10%，疲勞壽命可以提高30%。

2.3 疲勞強度S-N曲線及其選擇

鋼質焊接接頭的疲勞強度，是以S N- 曲線來表征的，曲線給出了施加到所給結構細節的應力范圍和恒定幅值載荷下失效循環數之間的關系。加強筋端部節點細節如圖2所示，S N- 曲線如圖3所示。對于船舶結構細節，S N- 曲線表示如下：

式中：S——應力范圍，N/mm2；N——應力范圍S下的失效循環數；m——常數，取決于材料和焊接類型、加載類型、幾何和環境條件；2K——常數，取決于材料和焊接類型、加載類型、幾何和環境條件。

圖2 端部節點形式及疲勞曲線

圖3 疲勞強度S-N曲線

2.4 角鋼和T型材疲勞壽命比較

CSR中對于側向受載板格上非對稱加強筋翼板的應力集中因子作了規定，詳見圖4，當翼板自由邊距離腹板中心線越小，應力集中系數越大[2]。以腹板和面板相同的T型材和L型材進行比較，疲勞壽命可相差9年。因此在油船舷側結構的疲勞敏感區域，縱骨宜選用對稱T型材，相較角鋼有較好的抗疲勞效果。

2.5 疲勞敏感部位及其改善措施

油船舷側結構的疲勞敏感區域位于輕壓載吃水至結構吃水間（此處波浪動載荷最大），其縱骨端部節點應盡量采用軟趾形式和圓弧形背肘板以提高疲勞曲線等級，如圖5所示。對于在承受軸向載荷為主的部位，如甲板縱骨應考慮加設軟根，也是對疲勞有利的措施。

圖4 角鋼和T型材疲勞壽命的比較

圖5 疲勞敏感部位及其改善措施

3 底部砰擊和艏部沖擊

3.1 底部砰擊

CSR規定：首垂線向后0.3L的船底平坦區域及從基線起500mm高度范圍內相連接的板和扶強材應進行底部砰擊加強，見圖6。

圖6 底部拍擊區域結構加強示例

需要注意的是：

1) 縱骨端部需要特別注意，中斷處盡量做到有效支持。穿過強框架處要有足夠的連接面積，加頂筋、肘板、全補板等；

2) 底部肋板開孔處補強，且盡量避免開孔在肋板端部；

3) 注意縱骨的焊接要求是否滿足，應有足夠的焊角高度。

3.2 艏部沖擊

CSR規定：首垂線向后0.1L區域內舷側結構應進行艏部沖擊加強。設計時應特別注意：

1) 縱骨端部中斷處需要特別注意，設置肘板實現有效支持[3]；

2) 壓應力或者剪應力大的地方，需要注意板格的屈曲；

3) 跨距大，折角大的地方，強構件加設防傾肘板。

4 液艙晃蕩

CSR規定，應考慮由于船舶運動而導致艙內液體自由運動而產生的晃蕩壓力，如貨油艙的縱向晃蕩，在距離橫艙壁0.25艙長范圍內構件需要晃蕩評估，特別注意橫艙壁前后一檔強橫梁，縱骨穿過時一般需加設補板。強橫梁屈曲加強筋，有時需要減小間距或者加設肘板減小跨距，以滿足晃蕩要求。端部削斜加強筋處的腹板板厚，因為晃蕩壓力，也需要特別考慮。

5 艙段有限元分析

5.1 艙段有限元模型

CSR規定，應對中部貨艙區域的船體梁縱向構件、主要支撐構件和橫艙壁的尺寸，首部貨艙區域的縱向船體梁抗剪構件進行強度評估。中部艙段有限元模型縱向范圍應覆蓋船中的三個貨艙長度，模型兩端應包括橫艙壁。首部貨艙抗剪能力有限元模型也應包括三個貨艙區域，見圖7。

5.2 艙段有限元屈服及屈曲校核

艙段有限元屈服及屈曲校核，見圖8。

圖7 艙段有限元模型范圍

圖8 艙段有限元屈服與屈曲

5.3 高彎曲應力與高剪應力區域

如前所述，經過艙段有限元分析，橫向強框架位于跨距端部的剪應力較大，應通過加大腹板厚度或調高鋼材等級進行補強。強框架開孔處會導致腹板實際抗剪面積減小，局部應力集中較大，應盡量避開剪應力較大的跨距端部區域。跨距端部彎曲應力較大處，可以通過加大面板或者調高鋼材等級以滿足要求。主要支撐構件的過渡圓弧半徑不宜過小，且沿圓弧邊緣應設置防傾肘板，以提高彎曲面板的有效性。縱骨穿越孔與腹板開孔過近處，需加設補板。

5.4 艙段有限元分析屈曲危險區域

1) 裝載呈中拱狀況下，船艙中間部分的船底外板處于受壓狀態，易發生局部板架屈曲，見圖9；

2) CSR考慮橫浪海況，船艙中間部分的舷側外板受壓狀態，易發生局部板架屈曲，見圖10；

圖9 船底屈曲強度

圖10 舷側外板屈曲強度

3) CSR考慮橫浪海況，水密橫艙壁在一邊滿艙一邊空艙載況下，還要承受橫向波浪壓力的作用，其屈曲要求明顯提高，見圖11。

圖11 水密橫艙壁板屈曲強度

對于上述船體結構屈曲區域，可以通過加厚板或者加設局部屈曲加強筋進行局部補強。

6 結 語

隨著世界貿易的發展，油船運輸在經濟發展中的作用日益重要。本文結合審圖經驗且參照《CSR油船共同規范》（2010），介紹了油船的結構強度設計以及結構審圖的要點。希望對油船的設計和檢驗起到一定的參考作用。

[1] 船體強度與結構設計[M]. 北京：國防工業出版社，1992.

[2] 中國船級社. 鋼質海船入級規范2009（第6分冊）[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[3] Design of Ship Hull Structures[M]. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2009.