何麗絲,王德禹
上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海200240
客滾船是一種區(qū)別于傳統(tǒng)三大船型(散貨船、油船、集裝箱船)的高新技術(shù)船舶,主要用于運(yùn)輸成品車輛,同時(shí)也可運(yùn)載少量旅客。客滾船全船無通常意義上的橫艙壁,船體強(qiáng)度主要靠大支柱提供,其船體主甲板高度只占型深的一半不到,車輛甲板和上層建筑為主要船體結(jié)構(gòu)。隨著客滾船的航區(qū)越加寬廣以及航線的延長,使得在使用壽命內(nèi),其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全問題越來越受到重視。近年來,許多國內(nèi)外學(xué)者都對(duì)客滾船的強(qiáng)度問題進(jìn)行了研究。Vásquez等[1]給出了惡劣海況下客滾船所受總縱彎矩的詳細(xì)計(jì)算方法。Zhang等[2]采用有限元方法對(duì)汽車裝載過程中的振動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算。王艷春等[3]對(duì)1 400客/2 000 m客滾船進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析。陳第一[4]對(duì)不同車輛甲板的客滾船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析。尉寧等[5]對(duì)客滾船的跳板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析。
除上述所提船舶結(jié)構(gòu)的安全問題外,還需考慮屈曲和疲勞對(duì)船舶結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)于傳統(tǒng)三大船型,相關(guān)規(guī)范中均有明確的屈曲和疲勞計(jì)算方法,但對(duì)于客滾船,目前的規(guī)范中還沒有明確的屈曲和疲勞強(qiáng)度校核規(guī)程。考慮到客滾船在設(shè)計(jì)和入級(jí)階段就需要提供屈曲和疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算報(bào)告,故分析客滾船的屈曲和疲勞強(qiáng)度十分必要。目前,國內(nèi)外有關(guān)客滾船屈曲和疲勞強(qiáng)度的相關(guān)研究仍不多見。李開封等[6-7]針對(duì)客滾船貨艙區(qū)支柱橫向撓曲和艙段橫向強(qiáng)度展開了有限元分析,但沒有對(duì)大跨度的甲板進(jìn)行屈曲強(qiáng)度評(píng)估。Amundin[8]以一條長 230 m、13 層甲板的滾裝船為例,對(duì)該滾裝船貨艙艙壁的疲勞壽命進(jìn)行了分析。王娜等[9]對(duì)客滾船車輛甲板疲勞進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)估;徐曉冬等[10]通過對(duì)世界上幾個(gè)主要船級(jí)社的疲勞校核規(guī)范工作成果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)大型客滾船的結(jié)構(gòu)細(xì)部疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析。許多學(xué)者針對(duì)客滾船疲勞分析的研究均未涉及到十字焊接型的熱點(diǎn)疲勞。針對(duì)以上存在的問題,本文將開展客滾船的屈曲強(qiáng)度校核與十字焊接型熱點(diǎn)疲勞分析,為解決客滾船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中甲板層數(shù)多、貨艙區(qū)域板架大跨度難等問題提供設(shè)計(jì)參考依據(jù)。
考慮到客滾船的船型特點(diǎn),本文將給出屈曲強(qiáng)度校核與疲勞強(qiáng)度校核的前處理設(shè)定方法,并以某大型客滾船艙段有限元模型為例,使用上海交通大學(xué)數(shù)字化項(xiàng)目組自主研發(fā)的軟件,對(duì)客滾船的屈曲強(qiáng)度、高級(jí)屈曲、十字焊接型熱點(diǎn)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算,研究結(jié)果對(duì)大型客滾船的屈曲和疲勞強(qiáng)度直接計(jì)算分析具有一定的參考價(jià)值。
客滾船是成品汽車海上運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ摺S捎谄涔δ艿奶厥庑裕蜐L船的結(jié)構(gòu)較常規(guī)貨船有很大的不同,主要表現(xiàn)為甲板層數(shù)多且均為大跨度板架結(jié)構(gòu)、橫艙壁的數(shù)量較少。目前大型船舶普遍采用縱骨架式,甲板板格的長寬比通常較大,因此非常容易發(fā)生屈曲問題。按照彈性范圍中板格的屈曲強(qiáng)度研究方法,分析客滾船各層甲板上的屈曲強(qiáng)度,并參照中國船級(jí)社(CCS)《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》[11]第2冊第8章附錄1中規(guī)定的板厚折減系數(shù)及屈曲安全因子進(jìn)行屈曲強(qiáng)度評(píng)估。
1.1.1 工況選擇
由于屈曲分析需要以各個(gè)工況狀態(tài)下的應(yīng)力值為依據(jù),因此選擇客滾船屈服分析時(shí)的工況作為屈曲強(qiáng)度校核的工況,依照挪威船級(jí)社(DNV)規(guī)范[12]中的要求,確定客滾船直接計(jì)算的屈服強(qiáng)度計(jì)算工況,如表1所示。

表1 屈曲計(jì)算中使用的裝載工況Table 1 Loading conditions for buckling calculations
將屈服分析時(shí)船舶受到的外載荷作為屈曲強(qiáng)度校核時(shí)的外載荷。根據(jù)DNV規(guī)范,船體所受載荷可分為船體梁載荷和局部載荷。船體梁載荷按照?qǐng)D1所示的彎矩圖施加在獨(dú)立點(diǎn)上。局部載荷包括自重、海水載荷和貨物載荷3個(gè)部分,其中自重和貨物載荷的施加應(yīng)參照總布置圖或者設(shè)備圖確定設(shè)備的分布情況,并調(diào)整重心位置與實(shí)船一致。下面,將分別介紹海水載荷和貨物載荷的具體確定方法。
1.1.2 海水載荷
DNV規(guī)范給出了波浪附加壓力的計(jì)算公式,本文采用該公式對(duì)海水載荷進(jìn)行計(jì)算:
式中:h0為當(dāng)吃水為T時(shí),水線面至計(jì)算點(diǎn)的垂直距離,m;T為吃水,m;z為基線至計(jì)算點(diǎn)的垂直距離,m;pl為波浪附加載荷,可按下列各式進(jìn)行計(jì)算:
式中:Cw為波浪系數(shù),其取值如表2所示;V為船舶服務(wù)航速,kn;L為規(guī)范船長,m;CB為方形系數(shù);f為水線至舷頂?shù)拇怪本嚯x,m,其取值不大于0.8Cw。

表2 波浪系數(shù)Table 2 Wave coefficients
1.1.3 貨物載荷
貨物載荷包括干貨載荷、液貨載荷和船員乘客載荷,其中船員乘客的重量以節(jié)點(diǎn)力的方式加載在主要分布區(qū)域內(nèi)。
干貨載荷(單位:kN/m2)為甲板所受垂直向下的壓力,應(yīng)不小于由下式計(jì)算得到值:
式中:ρH為設(shè)計(jì)裝載工況中,貨物重量在甲板上的分布,t/m2;ms為甲板自重,t/m2;g0為重力加速度;av為垂向加速度,可按下式計(jì)算:
式中:kv為系數(shù),其中kv=1.3為艉部處系數(shù),kv=0.7為自船艉起0.3L~0.6L之間處的系數(shù),kv=1.5為艏部處系數(shù);a0為加速度系數(shù),按下式計(jì)算:
液貨對(duì)液艙的靜水壓力(單位:kN/m2)由下式計(jì)算:
式中,hs為計(jì)算點(diǎn)至液貨自由液面的垂直距離,m。
高級(jí)屈曲是有別于一般屈曲強(qiáng)度的非線性屈曲問題,本文在完成屈曲強(qiáng)度分析之后進(jìn)行高級(jí)屈曲校核。選取客滾船主甲板上的中段板格,設(shè)定各個(gè)板格的基本參數(shù)和折減系數(shù)進(jìn)行高級(jí)屈曲校核。
目前,考慮非線性問題的加筋板格屈曲評(píng)估方法也開始被引入到各船級(jí)社的規(guī)范中,由此產(chǎn)生了各種計(jì)算高級(jí)屈曲的方法,其中比較成熟的是基于Marguerre非線性大擾度薄板理論的屈曲計(jì)算方法(即PULS法),以及基于彈性大撓度理論和剛塑性分析的加筋板格高級(jí)屈曲分析方法(EPM法)。本文使用上海交通大學(xué)數(shù)字化項(xiàng)目組自主研發(fā)的軟件——船體結(jié)構(gòu)屈曲分析軟件中的高級(jí)屈曲校核模塊對(duì)客滾船的高級(jí)屈曲進(jìn)行分析。該模塊使用PULS法進(jìn)行高級(jí)屈曲計(jì)算,詳見參考文獻(xiàn)[13],并按照CCS《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》第6冊第1部分第8章中的規(guī)定選取板格的屈曲模式。
本文基于S-N曲線和Palmgren-Miner線性累計(jì)損傷理論,參照CCS《船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南》[14]中的相關(guān)規(guī)定對(duì)客滾船進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析。對(duì)客滾船而言,可能產(chǎn)生疲勞問題的區(qū)域比較多,本文主要討論車輛甲板中十字焊接處的疲勞強(qiáng)度問題。一方面,十字焊接處所受的應(yīng)力幅值較高,發(fā)生疲勞破壞的幾率較大;另一方面,十字焊接處可能需要與支柱相連接,該處的疲勞將對(duì)全船的結(jié)構(gòu)安全造成重大的不利影響。由于缺乏足夠的車輛載荷數(shù)據(jù),所以在計(jì)算過程中未考慮車輛裝卸過程中所產(chǎn)生的載荷,僅對(duì)波浪循環(huán)應(yīng)力作用下的焊接節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估。
1.3.1 工況選擇
由于規(guī)范中未具體規(guī)定客滾船的裝載情況,故本文參考CCS《船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南》中有關(guān)散貨船的疲勞評(píng)估的規(guī)定進(jìn)行工況選擇。考慮到該客滾船無隔艙滿載的工況,故選取壓載和滿載2個(gè)工況作為計(jì)算工況,具體如表3所示。表中:mH指吃水為d時(shí)均勻裝載工況下(所有貨艙裝貨且裝載比值相同,所有壓載艙為空艙)貨艙中的實(shí)際載貨量;vFULL為貨艙容積,包括貨艙艙口圍板包圍的容積。

表3 疲勞計(jì)算中使用的裝載工況Table 3 Loading conditions for the fatigue calculations
1.3.2 載荷工況
疲勞強(qiáng)度分析時(shí)與等效設(shè)計(jì)波對(duì)應(yīng)的載荷工況按照CCS《船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南》中的描述進(jìn)行定義,共有12種,載荷工況由以下規(guī)則波組成:
1)迎浪,垂向波浪彎矩達(dá)到最大時(shí)的規(guī)則波(簡記為“H”);
2)隨浪,垂向波浪彎矩達(dá)到最大時(shí)的規(guī)則波(簡記為“F”);
3)橫搖運(yùn)動(dòng)達(dá)到最大時(shí)的規(guī)則波(簡記為“R”);
4)水線處的水動(dòng)壓力達(dá)到最大時(shí)的規(guī)則波(簡記為“P”)。
計(jì)算出對(duì)應(yīng)的12種載荷工況的應(yīng)力值,應(yīng)用插值法計(jì)算得到所取節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力,然后再根據(jù)疲勞累積損傷計(jì)算公式得到結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的累積損傷度。具體的計(jì)算方法參見CCS《船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南》的第3章和第5章。
至于具體的載荷計(jì)算,所采用的方法與式(1)~式(10)中所示方法相同,用于疲勞分析的船體梁靜水彎矩Msw應(yīng)按下式計(jì)算:
式中:Csw為相應(yīng)裝載工況下的靜水彎矩修正系數(shù),見表3;Ms為船體梁中拱或中垂許用水彎矩,kN·m。
本文以某大型客滾船的艙段為例,采用上一章中給出的方法進(jìn)行屈曲和疲勞計(jì)算。所選擇的艙段位于船舯向船艏28 800 mm和向船艉21 600 mm范圍內(nèi),縱向包含甲板大開口及主要支柱,橫向?yàn)檎麄€(gè)船寬的范圍,垂向?yàn)榛€至最上層甲板的范圍。艙段的結(jié)構(gòu)能比較完整地體現(xiàn)客滾船結(jié)構(gòu)的特殊性。其中,客滾船船員主要分布在9甲板,乘客主要分布在7甲板和8甲板,干貨重量主要在3甲板和5甲板,液貨重量主要在1甲板和外板處。按照DNV規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定,首先建立目標(biāo)艙段的有限元模型,如圖2所示,模型中的網(wǎng)格信息如表4所示。

表4 網(wǎng)格信息Table 4 Grid information
2.2.1 邊界條件
由于客滾船直接計(jì)算的規(guī)范里面沒有明確的邊界條件,根據(jù)屈服計(jì)算時(shí)的設(shè)計(jì)工況,本文選取CCS《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》第2冊第8章附錄1中規(guī)定的總體載荷邊界條件進(jìn)行屈曲強(qiáng)度校核。表5給出了具體的總體載荷邊界條件設(shè)定方法,圖3給出了設(shè)定邊界條件后的艙段有限元模型。其中,表5中的彎矩按照?qǐng)D1給出的數(shù)據(jù)加載。

表5 屈曲計(jì)算中使用的邊界條件Table 5 Boundary conditions of the buckling calculations
2.2.2 屈曲計(jì)算結(jié)果
本文使用上海交通大學(xué)數(shù)字化項(xiàng)目組自主研發(fā)的船體結(jié)構(gòu)屈曲分析軟件進(jìn)行屈曲計(jì)算。計(jì)算前,先進(jìn)行艙室識(shí)別(結(jié)構(gòu)分組)、參數(shù)設(shè)置、邊界條件定義、工況設(shè)定等一系列設(shè)置,按照2.1節(jié)的公式施加載荷,提交計(jì)算屈服強(qiáng)度并合成應(yīng)力;然后,選取各層甲板按照強(qiáng)框架的位置進(jìn)行一級(jí)板格劃分;之后,再按照加強(qiáng)筋位置進(jìn)行二級(jí)板格劃分,得到最終用于計(jì)算屈曲強(qiáng)度的板格;最后,設(shè)定每塊板格的屈曲安全因子和折減系數(shù)等相關(guān)參數(shù),提交計(jì)算得到屈曲強(qiáng)度校核云圖。圖4所示為屈曲計(jì)算結(jié)果。
云圖中給出的數(shù)值為各甲板板格的屈曲因子,即復(fù)合臨界屈曲應(yīng)力與計(jì)算的實(shí)際壓縮應(yīng)力的比值。依據(jù)CCS《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》第2冊第8章附錄1中的規(guī)定,各層甲板的屈曲安全因子均為0.8,許用應(yīng)力為305 MPa(該船各層甲板鋼材均采用AH36高強(qiáng)度鋼,材料系數(shù)k=0.72),而云圖中的所有板格屈曲因子則均大于屈曲安全因子,也即板格的穩(wěn)定性是合格的。由圖中可以看到,屈曲因子最小的地方位于板格開口附近和板格受壓處。
完成屈曲強(qiáng)度校核之后可以發(fā)現(xiàn),1號(hào)甲板靠近船艏受壓處,且該處的板格屈曲因子是整個(gè)艙段中最小的,也即最接近屈曲安全因子,容易發(fā)生屈曲。因此,以這一板格作為對(duì)象,進(jìn)一步進(jìn)行高級(jí)屈曲分析。設(shè)定完成板格類型、動(dòng)載荷和靜載荷系數(shù)、折減系數(shù)、筋的屈服強(qiáng)度等主要參數(shù)后,使用船體結(jié)構(gòu)屈曲分析軟件中的高級(jí)屈曲校核模塊進(jìn)行計(jì)算,所得結(jié)果如圖5和圖6所示。
云圖中給出的數(shù)值為實(shí)際屈曲利用因子與許用屈曲利用因子的比值,該比值越小說明屈曲利用率越低,則板格在使用過程中發(fā)生屈曲的可能性越小。從圖中可以看出,該區(qū)域的屈曲利用率最大只有0.549,即該區(qū)域抵抗屈曲的能力還有可挖掘的空間。
2.4.1 邊界條件
進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí),參照CCS《船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南》選取邊界條件。對(duì)于總體載荷,艙段前、后端面各縱向構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)自由度δx,δy,δz應(yīng)與中縱剖面上中和軸處的獨(dú)立點(diǎn)采用MPC方式關(guān)聯(lián),即在獨(dú)立點(diǎn)上施加垂向彎矩和水平彎矩,各載荷工況的載荷組合因子見CCS《船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南》第2章的表2.5.3。艙段前、后端面內(nèi)獨(dú)立點(diǎn)的橫向線位移、垂向線位移及繞縱向軸的角位移約束為δy=δz=θx=0;前端面內(nèi)獨(dú)立點(diǎn)的垂向線位移約束為δx=0。表6給出了具體的總體載荷邊界條件設(shè)定方法,圖7給出了設(shè)定總體載荷邊界條件后的艙段有限元模型。其中,表6中的彎矩按照?qǐng)D1給出的數(shù)據(jù)加載。

表6 疲勞計(jì)算中使用的總體載荷邊界條件Table 6 Boundary conditions of the global loading of the fatigue calculations
對(duì)于局部載荷,對(duì)艙段前、后端面施加對(duì)稱面邊界條件,端面內(nèi)節(jié)點(diǎn)的縱向線位移、繞端面內(nèi)2個(gè)坐標(biāo)軸的角位移約束為δx=θy=θz=0;在舷側(cè)外板、內(nèi)殼板、縱艙壁與中部貨艙前后艙壁交線上應(yīng)設(shè)置垂向彈簧單元,彈簧單元的彈性系數(shù)均勻分布。彈性系數(shù)按下式計(jì)算:
式中:G為材料的剪切彈性模量,對(duì)于鋼材,G=0.792×105N/mm2;A為前后艙壁處舷側(cè)外板、內(nèi)殼板或縱艙壁板的剪切面積,mm2;lH為中部貨艙長度,mm;在載荷對(duì)稱時(shí),n為舷側(cè)外板、內(nèi)殼板或縱艙壁板上垂向交線的節(jié)點(diǎn)數(shù)量,而在載荷非對(duì)稱時(shí),n為船底板、內(nèi)底板上水平交線的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。
表7給出了具體的局部載荷邊界條件設(shè)定方法,圖8給出了設(shè)定局部載荷邊界條件后的艙段有限元模型。
2.4.2 疲勞計(jì)算結(jié)果
本文選取了2處十字焊接處進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算,目的是驗(yàn)證該疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法是否適合客滾船的焊接疲勞強(qiáng)度分析。選取模型位于船舯處時(shí),將3號(hào)甲板與橫梁的交界點(diǎn)作為第1個(gè)疲勞分析熱點(diǎn),1號(hào)甲板與中縱桁的交界點(diǎn)作為第2個(gè)疲勞分析熱點(diǎn)。

表7 疲勞計(jì)算中使用的局部載荷邊界條件Table 7 Boundary conditions of the local loading of the fatigue calculations
使用上海交通大學(xué)數(shù)字化項(xiàng)目組自主研發(fā)的船體結(jié)構(gòu)疲勞分析軟件,在完成焊接節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格細(xì)化、艙室識(shí)別、邊界條件定義、工況載荷設(shè)定后,提交計(jì)算并合成應(yīng)力,然后輸入熱點(diǎn)的焊腳長度、相交板交角、裂紋所在表面等主要參數(shù),校核點(diǎn)板的凈厚度均小于22 mm,無需進(jìn)行厚度修正。由于該船左、右舷對(duì)稱,故只選擇左舷為上風(fēng)舷;該模型為船舯艙段模型,因迎浪和隨浪的彎矩在船舯處均為最大值,故只選擇迎浪作為載荷工況進(jìn)行計(jì)算。最后,進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核,得到熱點(diǎn)的總累積損傷度和疲勞壽命。圖9和圖10示出了2個(gè)疲勞熱點(diǎn),表8和表9則給出了熱點(diǎn)疲勞評(píng)估結(jié)果。

表8 3號(hào)甲板熱點(diǎn)疲勞評(píng)估Table 8 Fatigue evaluation of the hot spot on No.3 deck

表9 1號(hào)甲板熱點(diǎn)疲勞評(píng)估Table 9 Fatigue evaluation of the hot spot on No.1 deck
由表8和表9可以看出,3號(hào)甲板的總累積損傷度D=0.006 70+0.002 06=0.008 76,疲勞壽命T=20/D=2 283.1年,即在20年的服役期內(nèi),該節(jié)點(diǎn)不會(huì)發(fā)生疲勞破壞;1號(hào)甲板的總累積損傷度D=5.631 23×10-7,疲勞壽命T=20/D=35 516 156.3年,疲勞強(qiáng)度滿足要求。
另外由表還可看出,3號(hào)甲板熱點(diǎn)處的應(yīng)力范圍為26.1 MPa,1號(hào)甲板熱點(diǎn)處的應(yīng)力范圍為3.77 MPa,可見3號(hào)甲板在該處受到了貨物(車輛)載荷的壓力,1號(hào)甲板在該處沒有直接的受力,且在壓載情況下,3號(hào)甲板受到的壓力比1號(hào)甲板大,故3號(hào)甲板的累積損傷比1號(hào)甲板大是合理的。由于甲板熱點(diǎn)處的應(yīng)力都不大,所以總累積損傷度也都比較小。
本文通過分析客滾船船型的特殊性,依據(jù)屈曲和疲勞校核計(jì)算方法,以DNV和CCS相關(guān)規(guī)范為參考進(jìn)行了前處理設(shè)定,并選取某大型客滾船的艙段有限元模型進(jìn)行了屈曲強(qiáng)度校核、高級(jí)屈曲分析和十字焊接熱點(diǎn)疲勞強(qiáng)度校核。
在屈曲計(jì)算中,本文對(duì)各種載荷的規(guī)范計(jì)算方法予以了總結(jié),并詳細(xì)介紹了實(shí)際計(jì)算過程中的邊界條件設(shè)定方法。
在屈曲計(jì)算的基礎(chǔ)上,本文還選擇計(jì)算艙段中屈曲因子最小的板格進(jìn)一步開展了高級(jí)屈曲計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)計(jì)算板格的屈曲利用率進(jìn)行了討論。
在疲勞熱點(diǎn)校核中,本文詳細(xì)討論了總體載荷與局部載荷邊界條件的設(shè)定方法,并以2處典型的十字焊接位置為例給出了疲勞熱點(diǎn)計(jì)算結(jié)果,證明計(jì)算熱點(diǎn)的疲勞壽命滿足相關(guān)規(guī)范要求。
總的來看,本文所采用的計(jì)算方法在進(jìn)行客滾船的屈曲、高級(jí)屈曲及疲勞校核時(shí)是可行而有效的。在缺少明確的客滾船屈曲和疲勞計(jì)算規(guī)范的前提下,采用本文方法來直接計(jì)算大型客滾船的屈曲和疲勞強(qiáng)度有一定的參考價(jià)值。