散貨船底凳與內底相交處結構強度分析

朱培培，葉仁凱，盛利賢，竹 亮

(1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2.揚州海翔船舶科技有限公司，江蘇 揚州 225000)

0 引言

散貨船作為當今國際航運市場的三大主力船型之一，主要用于干散貨運輸，其運輸量的不斷增加也對其結構安全提出了更高的要求。本文以某21萬t散貨船為研究對象，根據HCSR規范要求，采用有限元方法對該散貨船底凳與內底相交處進行局部細網格強度分析和疲勞精細網格強度分析，詳盡闡述了該節點的結構計算要求和加強思路，為后續散貨船該節點的強度校核與加強提供參考。

1 計算要求

1.1 局部結構強度分析

細網格評估區域分為強制區域和篩選區域，根據規范《Common Structural Rules for Bulk Carriers and OilTankers》(以下簡稱《規范》)第一部分第七章第三節的要求：橫向底凳與雙層底縱桁的連接處在貨艙區域內需進行細網格篩選評估。

1.1.1細網格篩選

橫向底凳與雙層底縱桁連接處的三艙段粗網格應力若滿足篩選衡準要求，則無需進行細網格分析，反之則需。其篩選衡準為：

λy≤0.75λyperm

式中：λy為粗網格屈服利用系數。

對于板單元而言：

式中：σvm為Von Mises應力，MPa；RY為名義屈服應力，取235/k，k為材料系數；λyperm為粗網格許用屈服利用系數，對于S+D(靜載荷+動載荷)工況：λyperm=1，對于S(靜載荷)工況：λyperm=0.8。

1.1.2細網格建模

細化區域的網格尺寸應不大于50 mm×50 mm，細化范圍應由校核區域向各個方向延伸不少于10個單元。

1.1.3有限元載荷組合

細網格分析應對所有適用于相應艙段分析的有限元載荷組合進行。

1.1.4細網格評估衡準

λf≤λfperm

式中：λf為細網格屈服利用系數。

對于板單元而言：

式中：λfperm為細網格許用屈服利用系數?？拷缚p的單元，對于S+D工況：λfperm= 1.50ff；對于S工況：λfperm= 1.20ff。ff為疲勞系數，一般而言：ff=1.0；如果按照《規范》對該細網格節點進行疲勞分析并且滿足要求，則：ff= 1.2。

1.2 疲勞強度分析

1.2.1疲勞評估區域

疲勞評估分為強制區域和篩選區域。《規范》第九章第二節規定：對于壓載貨艙，位于雙層底桁材處的橫艙壁底凳與內底相交處是疲勞強制評估區域；對于不作為壓載貨艙的EA貨艙、FA貨艙，橫艙壁底凳與內底連接處是疲勞篩選評估區域。

1.2.2精細網格結構建模

本節點為“a”型節點。對于“a”型節點精細化網格區域的網格尺寸應不大于tn50mm×tn50mm(tn50為扣除一半腐蝕后的凈厚度)，細化范圍應由校核區域向各個方向延伸不小于10個單元。

1.2.3有限元載荷組合

對每一種裝載工況，疲勞評估的動載荷組合應考慮所有的疲勞載荷工況，最后用于疲勞評估的是所有疲勞載荷工況中熱點位置疲勞應力幅值最大的載荷工況。

1.2.4疲勞評估衡準

TF≥TDF

式中：TF為計算疲勞壽命；TDF為設計疲勞壽命，一般不小于25 a。

2 實例分析

以某21萬t散貨船為研究對象，其主尺度要素為：船長294 m，船寬50 m，型深25.2 m。應用LR/CSR FE Analysis軟件對該散貨船重壓載艙(第6貨艙)、重貨艙(第5貨艙)、輕貨艙(第4貨艙)的縱桁處橫艙壁底凳與內底相交位置進行強度評估。圖1為該相交節點的結構示意圖。該節點處所有材料均采用H36高強度鋼，材料系數k為0.72。計算時，對S工況下的屈服利用系數進行處理，將其除以系數0.8，使S工況下的衡準值與S+D工況下的衡準值保持統一，則粗網格許用屈服利用系數λyperm取1，焊接區域細網格許用屈服利用系數λfperm取1.50；若疲勞強度滿足要求，λfperm取1.80。

圖1 橫艙壁底凳與雙層底縱桁相交位置示意

2.1 細網格篩選

本算例四、五、六艙三艙段粗網格結果顯示：除靠近舷側的一根旁縱桁外，其他縱桁對應的該節點粗網格屈服利用系數均大于0.75λyperm，需進行網格細化分析。

2.2 細網格應力結果與加強分析

2.2.1三種分析方式研究

表1顯示橫向底凳與內底的連接位置在四艙后橫艙壁中縱桁處采用三種不同方法所得出的加強方案和應力結果。

方法1：采用粗網格分析，對相關構件加厚使其粗網格屈服利用系數小于等于0.75λyperm，從而后續無需進行細網格分析。

方法2：不考慮疲勞強度，采用粗網格和細網格兩者相結合的方式進行分析，對相關構件加厚使其滿足衡準要求。

方法3：使疲勞強度滿足衡準要求，采用粗網格、細網格、精細網格三者相結合的方式進行分析，對相關構件加厚使其滿足衡準要求。

表1 三種計算方法結果對比

從表1結果對比表明：方法1增加的板厚最多，結構重量最重，其次為方法2、方法3。因此，為有效降低結構重量、增加載貨量，對于橫向底凳與內底的連接處采用粗網格、細網格、精細網格三者相結合的方式最為合理。

2.2.2細網格加強研究

粗網格結果顯示：縱桁、底凳隔板應力較大，需局部嵌入500 mm×500 mm的插厚板，以下細網格分析時將以各艙中縱桁處尾端底凳與內底相交處節點為對象進行分析闡述。一般情況下，插厚板厚度不能超過相鄰板厚的2倍[1]，故插厚板板厚不能一味加大，而是通過加大其相鄰構件板厚來降低整體應力。

本算例將采用粗網格、細網格、精細網格三者相結合的方式進行分析，有限元模型如圖2所示。若疲勞強度滿足要求，相應細網格屈服利用系數許用值可放大1.2倍。由于底凳隔板規范未定義其熱點，船級社認為其疲勞系數只能取做1。

圖2 有限元模型

以六艙重壓載艙為例(其他貨艙經驗證結論相似)，初始縱桁、內底板、肋板、隔板、斜板的板厚分別為16.5、22.0、15.0、13.0、21.5 mm，計算得到的縱桁應力為860.41 MPa，隔板應力為562.94 MPa。通過控制變量法進行計算，得到單一構件板厚變化引起縱桁、隔板應力變化的情況，其結果見表2。從結果可以看出：

(1)增加構件板厚能有效減小縱桁應力的構件依次為縱桁板、內底板、肋板。

(2)增加底凳斜板、底凳隔板板厚會增大縱桁應力。

(3) 增加構件板厚能有效減小底凳隔板應力的構件依次為底凳斜板、底凳隔板、肋板、內底板。

(4)增加縱桁板厚會增大底凳隔板應力。

表2 構件板厚變化對縱桁和隔板應力的影響

2.2.3細網格分析結果

按照細網格分析要求，統籌考慮所有相鄰構件的影響最終確定構件尺寸。由于篇幅有限，表3只顯示各艙中縱桁處尾端底凳與內底相交處加強后的最終屈服利用系數結果。

表3 中縱桁處尾端底凳與內底相交處屈服利用系數結果

2.3 疲勞強度分析

本算例六艙是重壓載艙。為疲勞強制計算的艙，四艙、五艙需進行疲勞篩選來決定是否需要進行精細網格分析?？紤]到四艙、五艙細網格屈服利用系數較大，本算例將直接對其疲勞壽命進行計算，以期能增大細網格屈服利用系數許用值。

橫艙壁底凳與內底相交處熱點位置示意圖如圖3所示。基于上述細網格最終板厚結果，對三個貨艙中縱桁處尾端底凳與內底連接位置進行熱點疲勞評估，評估結果見表4。

從表中結果可以看出，三個貨艙中縱桁處尾端底凳與內底相交處的熱點疲勞壽命大于設計疲勞壽命25 a，疲勞強度均滿足要求，因此上述最終細網格結果也滿足規范衡準要求。從表4中還可以看出，各艙內底所對應熱點疲勞壽命最小。當內底疲勞壽命不滿足規范要求時，可加大內底板厚[2]，此時對細網格應力結果也是有利的。

圖3 橫艙壁底凳與內底相交處熱點位置示意圖

熱點位置TF /a四艙五艙六艙熱點1: 貨艙一側的內底板44.9832.0146.71熱點2: 貨艙一側的底凳斜板109.2045.9661.76熱點3:貨艙下,與底凳斜板對齊的支撐實肋板相連的縱桁79.4245.5579.02熱點4:底凳下,與底凳斜板對齊的支撐實肋板相連的縱桁214.25150.72119.74熱點5: 與底凳板對齊的雙層底支撐實肋板1 535.75429.24739.65

3 結論

本文依據HCSR規范要求，通過有限元計算軟件對某21萬 t散貨船的底凳與內底相交處進行強度分析，包括局部細網格強度分析和疲勞精細網格強度分析。

(1)局部強度方面。采用粗網格、細網格、精細網格三者相結合的方式，能有效控制板厚增加，使結構重量降低?？v桁、隔板應力結果較大，單純加大構件本身的厚度很難滿足規范要求，應考慮通過加大相鄰其他構件板厚來降低整體應力，使各構件應力滿足衡準要求。

(2)疲勞強度方面。本算例三艙在滿足細網格要求的板厚基礎上計算得出的疲勞壽命均滿足設計疲勞壽命要求，但各艙內底板所對應的熱點疲勞壽命富余不大，尤其是重貨艙，而加大內底板厚對疲勞和細網格應力結果都是有利的。