散貨船重壓載艙橫艙壁底凳與內底連接處結構加強方案研究

陳哲超 李文華 羅仁杰 張思航 王竟宇

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

隨著散貨船趨于大型化，熱點區域的應力集中問題也愈加嚴重。大型散貨船由于甲板開口以及滿足隔艙裝載設計要求等特點，橫艙壁下部受到較大的彎曲載荷和剪切載荷；加之底凳、內底板與雙層底縱桁連接處的類似十字交叉結構形式，使大型散貨船橫艙壁底凳與內底連接處的應力集中水平愈加嚴重，因此通常需通過細網格有限元進行詳細評估。

與傳統的CSR BC評估方法相比，協調版共同 結 構 規 范（harmonised common structural rule，CSR-H）［1］采用了與CSR OT關于細網格分析一致的技術路線，即劃分了強制細化區域和篩選細化區域［2］。散貨船橫艙壁底凳與內底連接處是CSR-H規定的篩選細化區域。當進行艙段粗網格有限元屈服強度計算時，如果該區域應力高于許用應力，需要對該區域進行細網格以及精細網格分析計算。一批學者針對CSR-H的結構強度評估方法，進行了對比研究。如楊旭等［3］針對油船底邊艙下折角結構進行了多方案優化設計；劉洋等［4］進行了散貨船以及油船多熱點疲勞壽命的研究。研究表明CSR-H規范強度要求較CSR更嚴格且保守［5］。

本文基于CSR-H結構評估方法，對某大型散貨船重壓載艙底凳與內底連接處結構進行多方案優化設計，并針對各方案進行細網格屈服強度和精細網格疲勞強度分析。

1 計算對象、模型與計算方法

1.1 粗網格分析

本文研究對象為某大型散貨船，該船沿縱向劃分為9個貨艙，船長約291 m、型寬45 m、型深24.9 m。在散貨船各個貨艙中，重壓載艙底凳與內底連接處應力集中最為嚴重，因此本文將重壓載艙作為典型貨艙段建立有限元模型，進行各加強方案的分析研究。根據CSR-H規范要求，模型在縱向范圍覆蓋3個貨艙長度，寬度以及垂向方向覆蓋全船寬度以及型深。模型的單元尺寸約為縱骨間距（如圖1所示），其中，重壓載艙內前后兩道槽型艙壁的底凳均為一側垂直板和一側斜板的結構，其在重壓載艙內與內底連接處（即底凳垂直板與內底連接處以及底凳斜板與內底連接處），將分別開展相關強度評估。

圖1 散貨船三艙段有限元模型

對于底凳與內底連接處結構區域，根據CSR-H規范，當屈服利用因子大于0.75時，需要進行細網格分析。經過計算，該區域最大應力出現于縱桁與底凳垂直板交點處，如表1所示。

距離船中心線越近的縱桁，其與底凳交點處應力集中越嚴重。距船中心線1950 mm縱桁應力云圖如下頁圖2所示。

根據粗網格計算結果，需要對該連接處進行細網格計算分析。

表1 底凳與內底連接處粗網格最大屈服利用因子mm

圖2 距船中心線1950 m m縱桁屈服利用因子云圖

1.2 細網格分析

模型細網格區域如圖3所示，模型范圍按照CSR-H規定取為三艙段全寬模型。細網格計算采用子模型法，位移邊界條件和載荷條件由粗網格模型中提取。如圖4所示，細化區域內單元尺寸不大于50 mm×50 mm。由表1可知，距船中心線1950 mm底凳與內底連接處應力集中最為嚴重，本文選擇該位置進行加強方案的研究。

圖3 模型細網格區域

圖4 模型細網格區域

根據CSR-H的規定，對于符合疲勞強度要求的結構，許用應力可以放大1.2倍。本文對于底凳與內底連接處進行疲勞強度分析，放大后的許用應力衡準如表2所示。

根據細網格分析結果，最大應力出現在縱桁與底凳垂直板交點，最大值為1095 MPa，遠超過許用應力；縱桁與底凳斜板交點處最大應力為946.1 MPa，如圖5所示。相較于粗網格計算結果，細網格計算中縱桁與底凳垂直板交點處應力明顯大于其與底凳斜板交點處應力。

表2 考慮疲勞強度的應力許用衡準MPa

圖5 單元應力云圖

2 底凳與內底連接處加強方案設計與屈服強度分析

2.1 加強方案設計

對于底凳與內底連接處的結構加強，提出6種工藝上可行的加強方案，如表3所示。

表3 加強方案示意

2.2 屈服強度分析

考察加強方案1，該加強方案是針對此類高應力區域最常用的加強手段，即對底縱桁嵌厚加強。通過該加強方案，最大應力出現在縱桁與底凳垂直板交點，最大值為812.1 MPa，遠超過許用應力；縱桁與底凳斜板交點最大應力為683.8 MPa。

圖6 加強方案1單元應力云圖

考察加強方案2：在加強方案1的基礎上，在底縱桁與肋板設置38AH36嵌厚板。通過肋板的嵌厚，提高該點橫向強度。最大應力出現在縱桁與底凳垂直板交點，最大值為727.3 MPa，較方案1最大應力下降10.4%；縱桁與底凳斜板交點應力最大值為650.6 MPa。

圖 7 加強方案2單元應力云圖

考察加強方案3：在加強方案1的基礎上，在底縱桁與內底板設置38AH36嵌厚板。通過內底板的嵌厚，提高該點縱向與橫向強度。最大應力出現在縱桁與底凳垂直板交點，最大值為649.3 MPa，較方案1最大應力下降20%；縱桁與底凳斜板交點應力最大值為534.2 MPa。該方案加強效果明顯。

圖8 加強方案3單元應力云圖

考察加強方案4：在加強方案1的基礎上，在雙層底內靠近縱桁與底凳交點處設置短縱桁，短縱桁設置在相鄰2個縱桁之間，橫跨2個橫框架。距船中心線1950 mm縱桁一側是管弄，僅在另一側設置短縱桁。該方案使交點附近形成局部箱形結構，增大了該點附近的剛度。最大應力出現在縱桁與底凳垂直板交點，最大值為710.2 MPa，較方案1最大應力下降12.5%；縱桁與底凳斜板交點應力最大值為592.8 MPa。考慮到設置局部短縱桁增加質量較多，該方案效率不高。

圖9 加強方案4單元應力云圖

考察加強方案5：綜合加強方案2和3，在縱桁、肋板和內底板嵌厚38AH36鋼板，增加該點局部強度。該方案下的最大應力為561.8 MPa，較方案1最大應力下降30.8%；縱桁與底凳斜板交點應力最大值為494.7 MPa。

圖10 加強方案5單元應力云圖

考察加強方案6：綜合加強方案2、3和4，在縱桁、肋板和內底板嵌厚38AH36鋼板，并且設置短縱桁，提高該點局部強度與剛度。在該方案下縱桁與底凳垂直板交點最大應力為494.5 MPa，較方案1最大應力下降39.1%；縱桁與底凳斜板交點最大應力為425.3 MPa。

圖11 加強方案6單元應力云圖

6種加強方案最大應力均出現在縱桁與底凳垂直板交點。為便于同規范許用值比較，表4和表5分別展示了動載荷及靜載荷工況下底凳與內底連接處歸一化的最大屈服利用因子。

表4 動載荷工況下各加強方案歸一化最大屈服利用因子比較

表5 靜載荷工況下各加強方案歸一化最大應力屈服利用因子比較

由表4和表5中數據可以看到，對內底板進行加強效果較為明顯。肋板嵌厚以及設置局部短縱桁均有一定效果，但是設置局部短縱桁則質量增加較多，加強方案2、3和4均無法將縱桁與底凳垂直板交點應力降到規范許用范圍。同時進行內底板以及肋板加強的效果很明顯，可使底凳與內底交點處應力滿足規范要求，并且船體質量增加量適中。在此基礎上再設置局部短縱桁，可以進一步降低應力。由加強方案2 ～ 6相較于加強方案1的應力減小幅度可以得到，同一加強方案對于縱桁與底凳垂直板、斜板的兩處交點，其加強效果相近（僅加強方案2對兩點加強效果有所區別）；對于同一位置，同一加強方案在動、靜載荷工況下加強效果幾乎一致。

我們同時觀察到，同一加強方案、同種載荷類型下，縱桁與底凳斜板交點處最大應力約為其與底凳垂直板交點最大應力的80%～85%。

3 疲勞強度分析

根據CSR-H要求，底凳與內底連接處共有5個熱點需進行疲勞壽命計算（見圖12）。疲勞熱點附近的精細網格尺寸為t×t，范圍為熱點處往外延伸至少10個單元，疲勞網格模型參見圖13。

圖12 疲勞強度分析熱點

圖13 疲勞網格模型示意圖

根據精細網格計算，對熱點進行疲勞壽命評估。距船中心線1950 mm底凳與內底連接處最短疲勞壽命如下頁表6和表7所示（熱點5左側點毗鄰管隧）。根據CSR-H規范規定，疲勞壽命要求大于25年。底凳斜板與內底連接處疲勞壽命遠大于底凳垂直板與內底連接處。對于肋板、內底板的加強以及設置局部短縱桁均可以改善連接處疲勞壽命，其中設置局部短縱桁效果較為明顯，但是對于底凳垂直板與內底連接處而言，加強方案2、3和4均無法滿足規范要求。同時對內底、肋板進行加強可以顯著改善連接處疲勞壽命，滿足規范要求；再進一步設置局部短縱桁，疲勞壽命將繼續得到改善。

表6 縱桁與底凳垂直板交點處熱點疲勞壽命

表7 縱桁與底凳斜板交點處熱點疲勞壽命

4 結 論

大型散貨船橫艙壁底凳與內底連接處的應力集中狀況較嚴重。本文對某大型散貨船重壓載艙距船中心線1950 mm底凳與內底連接處應力分布進行研究，針對性地提出了6種加強方案，分析了各加強方案的效果。相關結論同樣適用于散貨船的輕貨艙和重貨艙。

加強方案1對縱桁上高應力區域進行加強，但是其應力結果及疲勞壽命與規范要求有較大差距；加強方案2和3在加強方案1的基礎上分別對肋板以及內底板進行嵌厚加強；加強方案4則在加強方案1的基礎上設置了局部短縱桁。以上方案均可一定程度降低連接處應力，提高疲勞壽命，其中加強方案3的應力減小幅度最大。相較于加強方案2和3，加強方案4因設置局部短縱桁而使船體質量明顯增加。當大型散貨船底凳與內底交點應力集中過于嚴重時，以上4種加強方案均難以使該點的應力或者疲勞壽命滿足規范要求。結合加強方案2和3便得到加強方案5，該方案對該點處縱桁、內底板、肋板進行局部嵌厚，其應力以及疲勞狀況均得到大幅度改善，滿足規范要求。而在加強方案5的基礎上，設置局部短縱桁便得到加強方案6，該方案的應力以及疲勞狀況進一步得到改善。

根據以上對各加強方案的總結分析，本文得出以下結論：

（1）大型散貨船底凳與內底連接處應力集中較為嚴重，應力最大點出現在縱桁與底凳交點。當底凳板垂直時，其與縱桁交點處應力與疲勞問題均比底凳板傾斜時嚴重。

（2）對于底凳與內底連接處的加強，除對縱桁上高應力區域加強外，對縱桁與底凳交點周邊內底板嵌厚加強較有效；對實肋板嵌厚加強以及設置局部短縱桁也有一定效果，但是設置局部短縱桁將增重較多。

（3）同時對內底板以及實肋板進行加強，可以顯著改善底凳與內底連接處應力以及疲勞狀況，在此基礎上再設置局部短縱桁，應力以及疲勞狀況進一步改善。

（4）綜上，本文針對底凳與內底連接處給出推薦加強方案：除對縱桁高應力區加強外，首先考慮對縱桁高應力區周邊內底板進行嵌厚加強，其次考慮在對內底板加強基礎上對肋板進行嵌厚加強。如果此時該位置應力以及疲勞壽命無法滿足規范要求，再謹慎考慮設置局部短縱桁。