阿芙拉型油船雙層底肋板開孔及補強研究

2019-01-11 11:21:32林文平鄭素青

船舶 2018年6期

關鍵詞：設置設計

林文平潘登梁君鄭素青

（青島北海船舶重工有限責任公司青島266520）

引言

雙層底結構是主船體結構設計的重要內容，而雙層底肋板在雙層底梁系結構中通常起著主向梁的作用，其數量眾多，且人員永久通道開孔、減輕/工藝孔、壓載管系等開孔均需在肋板上開設。

這些開孔功能各異，但都有其設置的必要性。如人員永久結構通道（PMA）是SOLAS公約強制要求的內容，減輕/工藝孔為建造施工需要，壓載管系開孔為系統功能需要等。

為有效且合理地設計雙層底肋板上的開孔，本文以某阿芙拉油船為母型，對其雙層底結構進行有限元分析比較。擬從以下六個方面對其進行研究：雙層底肋板開孔大小對應力的影響；雙層底肋板縱骨穿越孔補板的設計；開孔應力沿艙長方向分布規律研究；兩種人員永久通道開孔形狀的對比分析；常用永久開孔的幾種加強方案對比分析；旁縱桁上縱骨穿越孔朝向分析。

該母型船的主要尺度參數如下：

船長LBP245.0 m

船寬B 44.0 m

型深H 21.2 m

結構吃水d 15.0 m

雙層底高度h 2.57 m

肋板間距S 3.72 m

骨材間距s 0.83 m

本船雙層底設置一根中縱桁和左右舷各設置一根旁桁材，中縱桁與旁縱桁之間無其他縱桁。內底縱骨高370 mm，外底縱骨高380 mm。

本文符號定義：

Φ——圓孔直徑，mm；

s——雙層底骨材間距，mm。

1 開孔大小對肋板應力的影響

為研究雙層底肋板開孔的應力影響，假定肋板兩端固支，貨物和舷外水載荷參考IACS共同結構規范［1］。圖1為雙層底肋板開孔及位置示意圖。按此圖示選取開孔位置，研究考察圓孔直徑大小分別為 Φ=0 mm、Φ=100 mm、Φ=200 mm、Φ=300 mm、Φ=400 mm、Φ=500 mm、Φ=600 mm、Φ=700 mm，以及穿越孔Ⅰ和穿越孔Ⅱ的應力變化規律。其中位置1受剪較大，位置3肋板承受彎矩最大，位置2介于兩者之間，詳見圖1。

圖1 雙層底肋板開孔及位置示意圖

穿越孔Ⅰ位于考察區域的上方，為拉入法型式縱骨穿越孔；穿越孔Ⅱ位于考察區域的下方，為插入法型式縱骨穿越孔，詳見圖2。

圖2 穿越孔Ⅰ和穿越孔Ⅱ的示意圖

為較準確地量化雙層底肋板開孔和穿越孔在不同位置時的應力狀態，計算模型采納了板厚×板厚的網格尺寸。圖3截取了不同直徑開孔和穿越孔的應力結果。

圖3 不同直徑開孔和穿越孔的應力結果

為對應力規律進行研究，現將不同直徑開孔與不同位置的相互組合情況下的應力結果進行統計，詳見表1。

表1 圓孔周邊應力統計表MPa

結合表1和圖4可以看出，越往肋板跨距中部，開孔尺寸對應力大小的影響越不敏感；反之，越靠近肋板端部，開孔大小對應力的影響越敏感。

圖4 圓孔應力與直徑Φ以及Φ/s的關系圖

為比較圖2所示兩種穿越孔類型在不同位置的應力響應結果，對這兩種穿越孔類型（不設置補板）的應力結果進行統計。見表2。

表2 穿越孔應力統計表MPa

從表2可以看出，無論是穿越孔Ⅰ還是穿越孔Ⅱ，越靠近肋板端部位置，應力越大，反之越小。肋板上的圓孔越大，對穿越孔應力影響則越大，越靠近肋板端部區域，開孔大小對應力的影響越敏感。

在位置1和位置2時，穿越孔Ⅰ的應力值小于穿越孔Ⅱ，且應力絕對值較大，為設計主要考慮要素；而在位置3時，穿越孔Ⅰ的應力值略大，但絕對值相對其他兩個位置的應力值較低，一般不作為設計考慮的主導要素。可見，在工程設計中，穿越孔Ⅰ是較好的一種設計方案，但該設計方案對船廠的工藝要求較高。

綜上計算結果可以說明，無論采用穿越孔Ⅰ還是穿越孔Ⅱ，在工程設計中應盡量避免在剪力成分占比較高的區域開孔［2］。

2 船底縱骨穿越孔的補板設計

由表2的計算結果可知，穿越孔Ⅱ相對穿越孔Ⅰ應力偏高，故穿越孔Ⅱ是否設置補板，應在滿載工況下對其應力進行研究，參見下頁表3。

表3 有/無補板應力對比表MPa

從表3計算結果可以看出，不同位置下的應力結果相差較大，但無論位置如何變化，設置補板后的應力降低了約10%。需說明的是，肋板上的縱骨穿越孔是否加設補板，還與縱骨的形狀及大小（高度）有關。

在工程設計中，不僅要考慮結構的應力響應，還需要結合結構的變形（剛度）進行考慮，以下選取了Φ = 400 mm時的變形結果，如圖5所示。

圖5 Φ = 400 mm時肋板及穿越孔變形圖

從圖5可見，位于端部的穿越孔在載荷作用下相對變形較大。結合對表3的分析，在工程設計中建議在肋板端部位置增設補板，可以有效提高結構強度水平。

3 開孔應力沿艙長方向的分布規律

第1/2部分為貨艙艙中的一塊肋板的研究結果，為研究整個艙段長度范圍的應力分布規律，以下對貨艙長度范圍內的肋板在規范［1］載荷下的粗網格（900 mm×900 mm）應力和細網格（50 mm×50 mm）應力進行對應的比較分析。為排除在艙長范圍內橫向結構及板厚對開孔應力結果的影響，本次考慮艙長范圍內各肋板的板厚和骨材規格一致，開孔尺寸為800 mm×600 mm的腰圓孔在位置1和位置2計算結果見表4和下頁表5。

表4 B6-1工況應力結果MPa

從表4和表5的計算結果可以看出，無論是滿載工況還是壓載工況，應力均由艙中向兩端遞減。

受制于艙長范圍內非對稱結構的影響，最大應力不是出現在艙中位置上，而是艙中向艏一個肋位上。

同一位置不同工況下的應力放大系數（K）相差不大，不同位置的應力稍微有所區別但相差不大。位置1的開孔應力放大系數為2.40，位置2的開孔應力放大系數為2.60。

表5 B7-1工況應力結果MPa

4 兩種開孔形狀的對比分析

根據SOLAS公約第Ⅱ-1章第3-6.5.2條的要求，對于通過制蕩艙壁、肋板、桁材和強肋骨上的垂向開口最小尺寸不小于600 mm×800 mm，該設計見圖6（腰圓孔）；經確認擔架上的負傷人員易于撤走時，作為替代的可接受尺寸為850 mm×620 mm，見圖7（梨形孔）。

圖6 方案1

圖7 方案2

為研究開孔形狀對肋板應力的影響，對雙層底肋板上的開孔進行細化分析，按圖8及圖9所示選取開孔位置，據IACS 規范［1］的要求及某實船的裝載手冊進行加載研究，考察開孔周圍的應力結果，詳見表4 -表7；開孔有限元模型［3-4］分別見圖10和圖11，網格尺寸為50 mm×50 mm；選取的裝載工況見圖12 -圖17（后文則以此工況釋義為準，不再重復表述）。