基于疲勞強度的某救援船上建端部節點優化研究

湯衛民 徐志亭 曾文源

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 上海 200240；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

船舶結構

基于疲勞強度的某救援船上建端部節點優化研究

湯衛民1,2徐志亭2曾文源2

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 上海 200240；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

船舶長上建端部通常都是全船高應力集中點，在此部位采用高強度鋼可以滿足屈服強度要求，但很難滿足疲勞壽命要求。文中針對某救援船長上建端部典型節點，結合疲勞強度譜分析直接計算方法，比較不同結構形式下的疲勞壽命，給出上建端部典型節點的優化建議。

救援船；上建端部；疲勞強度；節點優化

引 言

疲勞破壞是船舶與海洋工程結構物的主要破壞形式之一。對于大型和超大型船舶而言，疲勞問題更應引起重視。據統計，船長大于200m的中大型船舶，總損傷數的70%屬于疲勞損傷［1］。在大型船舶中，長上建通常會參與船體梁的總縱彎曲，在上建端部，橫剖面模數突然減小，容易造成應力集中，是全船需要重點設計的并鍵部位。目前針對這一問題，各大船級社規范均有相并規定，明確要求上建端部過渡處的外板或舷墻、甲板等部位要加厚，并盡可能在側圍壁終斷的端部增加過渡肘板［2-4］。但是對于一些工程船舶，為適應工程作業的需要，上建側圍壁端部不允許設置過渡肘板，僅靠增加板厚或使用高強度鋼才可能勉強滿足船舶設計屈服強度要求，卻往往很難滿足疲勞強度設計要求。本文針對長上建端部容易產生應力集中的節點，一般是縱向構件端部，提出多種改進方案，并比較各個方案下的疲勞壽命，給出這類節點的優化建議。

1 本船初始方案

本船屬于具有高而長上建的典型船舶，上建在船舯附近終止（如圖1所示），整船橫截面剖面的模數在上建端部突然減小，而且船舯區域正是船體梁總縱彎矩最大之處，造成上建端部與主甲板連接處存在明顯的應力集中。本船上建寬度并未延伸到舷側，上建端部側圍壁直接終止在1甲板上。為改善此處的應力集中，本船上建后端壁與外側壁采用圓角連接（如圖2所示）。圖中位置1和位置2為本文進行優化的部位。

位置1處為進一步改善其應力集中，在1甲板上增加覆板（板厚14mm，DH36鋼），位置1和位置2結構形式見圖3和圖4。

優化節點位置處結構板的初始板厚信息和疲勞壽命計算結果見下頁表1。疲勞壽命計算采用有限元譜分析計算方法［5］獲得。

位置1和位置2的典型工況應力云圖見下頁圖5和圖6?？梢姡恢?處的強扶強材根部有明顯的應力集中，導致此處甲板板、甲板縱桁、后端壁板等構件疲勞壽命均不滿足設計要求；位置2處雖針對性地增加了板厚，但應力集中非常明顯，疲勞壽命并不滿足設計要求，需要進一步優化。

表1 優化前節點處各結構板厚及疲勞壽命

2 優化結構形式設計

針對位置1，艙壁板厚已取到20mm，而非應力集中區域外側壁的10mm。該厚度已經沒有再加厚的的空間，只能更改結構形式?？紤]到甲板上覆板的彈性作用，現將位置1處的艙壁扶強材由垂向扶強材改為水平扶強材，板厚改小（取原來的10mm）。節點模型如圖7所示。

針對位置2，縱壁參與船體梁總縱強度，隨整船拉伸變形，從而導致縱壁根部與甲板、橫壁連接處應力過大，而且此處也不能在后端壁外再增加疲勞過渡肘板。為了使縱壁上的載荷擴散到連接部位的周邊，在縱壁與后端壁連接處增加一半圓鋼管（鋼管尺寸為R350×16），使得載荷通過半圓鋼管向外擴散，如下頁圖8所示。

3 優化方案疲勞壽命計算

現針對以上的優化方案，再次進行疲勞壽命計算，計算結果見表2。

位置1和位置2應力RAO曲線見圖9～12。

位置1和位置2典型工況下的的應力云圖見圖13～14。

從應力云圖中可以看出：位置1處不再有明顯應力集中，應力沿圓弧逐漸擴散；位置2處應力集中情況改善，應力數值從60降至41，縱壁與半圓鋼管連接處應力集中區域大概為300mm×300mm，縱壁加厚范圍也只需500mm×500mm即可。由計算結果可以看出，相應各部位的疲勞壽命均有大幅提升，符合設計使用要求。

表2 優化后節點處各結構板厚及疲勞壽命

4 結 論

本文針對長上建端部不適合設置肘板，但僅靠加板厚又無法滿足疲勞壽命的節點進行結構優化，提出以下建議：

（1）多層上建端部應盡可能不要在同一剖面處終止，階梯狀終止可緩解上建端部應力集中問題。

（2）上建端部應該盡可能設立具有良好過渡的結構。

（3）寬度不到船寬的上建端部，后端壁與側壁應盡可能采用圓角連接。圓弧R應盡可能大，建議不小于縱骨間距。

（4）上建端部圓角連接處若采用甲板上加覆板的形式降低應力，則圓角連接處圍壁上采用水平骨材布置更為有效。

（5）上建后端壁與長縱內圍壁連接處容易產生應力集中，可參考本文采用增加半圓鋼管的結構形式進行過渡。

（6）上建端部處甲板板及其下的骨材均應相應加強。

［1］ 林文平，宋大偉，徐超友. CSR散貨船底邊艙折角處結構疲勞設計［J］. 船舶，2013（1）： 49-54.

［2］ 中國船級社.鋼質海船入級規范［S］. 2015.

［3］ DNV. Rules for Classification ofships［S］. 2014.

［4］ ABS. Rules for Building and Classingmarine Vessels［S］. 2016.

［5］ 馮國慶.船舶結構疲勞強度評估方法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2006：67-93.

On optimization of superstructure end nodes of rescue ship based on fatigue strength

TANG Wei-min1,2XU Zhi-ting2ZENG Wen-yuan2
(1.school of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering,shanghai Jiao tong University,shanghai 200240, China; 2.marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China)

The ends of long superstructure are usually the highs tress concentration points of the ship, where the high strength steel should be used to meet the requirement of the yield strength. However, it is difficult to meet the requirement of the fatigues trength. The fatigue lives of the typical nodes of the long super structure on a rescue ship with the different structure configuration are compared by using the direct calculation method for the fatigue strength spectral analysis.some suggestions are given for the optimization of the typical nodes at the super structure ends.

rescue ship; end of superstructure; fatigue strength; node optimization

U663.6

A

1001-9855（2017）05-0033-05

2016-12-27；

2017-02-15

湯衛民(1977- )，男，碩士，高級工程師。研究方向：船體結構設計。徐志亭(1985- )，男，工程師。研究方向：船體結構設計。曾文源(1980- )，男，高級工程師。研究方向：船體結構設計。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.033