雙層底肋板貫穿孔孔邊應(yīng)力數(shù)值仿真分析

丁運(yùn)來(lái)，王 為，柯 力

（1. 中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433；

2. 江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913；

3. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引 言

船舶在風(fēng)浪中航行過程中，船體結(jié)構(gòu)受總縱彎曲與艙外水壓、貨物載荷等組合載荷的長(zhǎng)期作用，局部結(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)發(fā)生疲勞破壞。日本船級(jí)社[1]對(duì)第二代超大型油船（Very Large Crude Carrier, VLCC）的破損情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，大部分船舶的縱骨與強(qiáng)框架或橫艙壁連接處的疲勞損傷情況較為突出，約占統(tǒng)計(jì)的全部損傷的70%。對(duì)于中大型船舶而言，其雙層底結(jié)構(gòu)除了滿足規(guī)范要求的許用應(yīng)力[2]，還需考慮裝載情況和吃水深淺的不斷變化會(huì)造成船舶內(nèi)外底之間存在交變的壓縮載荷，使得內(nèi)外底之間桁材開孔處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致疲勞破壞[3]。因此，對(duì)船舶雙層底結(jié)構(gòu)骨材貫穿孔區(qū)域開展疲勞評(píng)估工作具有重要意義。

通常采用S-N曲線法[4-6]研究船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度問題，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)求出適用于結(jié)構(gòu)類型的S-N曲線，結(jié)合P-M公式得到結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。LOTSBERG等[7]基于該方法，針對(duì)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading, FPSO）舷側(cè)區(qū)域骨材開孔的疲勞問題開展全尺寸模型試驗(yàn)研究，給出S-N疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)曲線。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元數(shù)值仿真方法已成為研究船體結(jié)構(gòu)疲勞問題的重要方法之一。萬(wàn)正權(quán)等[8]以船體艙壁板上縱骨開孔為研究對(duì)象，利用有限元軟件 ANSYS開展骨材貫穿孔孔邊應(yīng)力集中問題分析，給出典型骨材貫穿孔的應(yīng)力集中系數(shù)表。

本文以典型船體雙層底局部結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，基于大型有限元分析程序ABAQUS，分析彎曲、壓縮載荷作用下骨材開孔板孔邊應(yīng)力分布情況；在此基礎(chǔ)上，討論不同的補(bǔ)強(qiáng)形式對(duì)孔邊應(yīng)力分布的影響，為后續(xù)新式孔型的設(shè)計(jì)及孔邊加強(qiáng)方案的制訂提供參考。

1 有限元模型

1.1 雙層底局部結(jié)構(gòu)及補(bǔ)強(qiáng)方案

選取船舶典型雙層底局部結(jié)構(gòu)模型（見圖1），該模型由上下底板、帶有開孔的肋板和貫穿骨材組成，肋板上下各有3個(gè)貫穿孔。根據(jù)不同的加強(qiáng)方案，設(shè)置4組計(jì)算模型，分別編號(hào)為CP0-FB0、CP1-FB0、CP0-FB1和CP1-FB1，其中，CP0代表無(wú)補(bǔ)板，CP1代表有補(bǔ)板，F(xiàn)B0代表無(wú)扶強(qiáng)材，F(xiàn)B1代表有扶強(qiáng)材，具體尺寸見表1。

圖1 雙層底局部結(jié)構(gòu)模型（CP1-FB1）

1.2 載荷施加方案

以船體主要構(gòu)件（肋板）在船舶實(shí)際航行過程中的受力情況為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備，針對(duì)骨材開槽孔模型開展試驗(yàn)設(shè)計(jì)（見圖2），設(shè)計(jì)彎曲、壓縮2種加載方案。方案一通過三點(diǎn)彎的加載方式模擬船舶雙層底結(jié)構(gòu)由于橫向彎曲變形而引起的彎曲載荷作用，即在雙層底局部模型開孔A1和A3對(duì)應(yīng)加筋根部沿加筋布置方向約束y方向、z方向的平動(dòng)和x方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，沿開孔B2對(duì)應(yīng)加筋根部方向施加均布線載荷，載荷大小為4t；方案二對(duì)下底板施加剛性固定約束，對(duì)上面板施加40t的均布面載荷，模擬雙層底結(jié)構(gòu)在水壓與艙內(nèi)載荷共同作用下受到的壓縮載荷作用。

圖2 載荷施加方案及開孔編號(hào)

按照雙層底局部結(jié)構(gòu)尺寸及2種載荷方案分別建立有限元模型（見圖3，以方案一為例）。模型試件材料為船用低碳鋼，彈性模量E= 2 .06× 1 011Pa ，泊松比v=0.3，質(zhì)量密度ρ= 7 850 kg/m3。采用4節(jié)點(diǎn)縮減積分板殼單元（S4R）建立模型，整體網(wǎng)格尺寸為20mm×20mm，對(duì)模型孔邊網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，孔邊網(wǎng)格尺寸為5mm×5mm。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

通過在孔邊布置應(yīng)變片，獲得試驗(yàn)過程中孔邊應(yīng)力的分布情況。以前期仿真計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)確定布片方案（見圖4）。各試件應(yīng)變片均主要布置于A1和B2處，各測(cè)點(diǎn)均布置三向應(yīng)變花。在有補(bǔ)板的情況下孔邊布置9個(gè)應(yīng)變花，其中：A～H分別表示開孔-90°、-45°、0°、45°、90°、135°和180°；I點(diǎn)位于補(bǔ)板與孔邊交點(diǎn)位置處（無(wú)補(bǔ)板時(shí)不布片）。考慮扶強(qiáng)材開孔處也存在孔邊應(yīng)力，布置編號(hào)為K的應(yīng)變花于其半圓部分的90°位置處（見圖4d)）。

圖3 有限元模型

圖4 布片方案

2 結(jié)果分析

2.1 載荷形式對(duì)孔邊應(yīng)力的影響

圖5給出4組模型在彎曲、壓縮載荷作用下的A1孔處的孔邊應(yīng)力分布云圖。由圖5可知，骨材開孔孔邊存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在彎曲載荷下，無(wú)補(bǔ)板時(shí)（CP0），孔邊最大應(yīng)力區(qū)域較為集中，位于 0°附近，最大應(yīng)力為87.7MPa；增設(shè)補(bǔ)板后（以CP1-FB0-W為例），孔邊應(yīng)力集中現(xiàn)象得到很好的改善，但在補(bǔ)板與肋板連接處出現(xiàn)新的局部高應(yīng)力點(diǎn)，最大應(yīng)力為60.8MPa。在壓縮載荷下，無(wú)補(bǔ)板時(shí)孔邊應(yīng)力集中現(xiàn)象與彎曲載荷作用情況類似，高應(yīng)力區(qū)域集中在0°附近，最大應(yīng)力為205.8MPa；但在有補(bǔ)板情況下，肋板開孔孔邊應(yīng)力并沒有得到很好的改善，且由于補(bǔ)板的存在，在補(bǔ)板與肋板連接處出現(xiàn)新的應(yīng)力集中區(qū)域（以CP1-FB0-Y為例），最大應(yīng)力為215.6MPa。綜上所述，在彎曲、壓縮2種載荷作用下，骨材開孔孔邊高應(yīng)力區(qū)域的分布在無(wú)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí)具有一定的相似性，而增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)會(huì)使2種載荷結(jié)構(gòu)下的孔邊應(yīng)力分布出現(xiàn)差異。因此，需進(jìn)一步對(duì)不同補(bǔ)強(qiáng)形式下孔邊應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析。

圖5 各試件孔邊應(yīng)力分布云圖

2.2 補(bǔ)強(qiáng)形式對(duì)孔邊應(yīng)力的影響

以雙層底局部結(jié)構(gòu)A1孔為例，給出不同補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)下骨材開孔孔邊應(yīng)力的分布情況（見圖6）。從圖6中可看出，不同補(bǔ)強(qiáng)形式對(duì)彎曲、壓縮2種載荷作用下的骨材孔邊應(yīng)力集中情況的緩解效果有一定差異。在彎曲載荷作用下，增設(shè)補(bǔ)板、扶強(qiáng)材均可有效緩解骨材開孔0°附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力分別降低至41.8MPa和55.0MPa（無(wú)補(bǔ)板和扶強(qiáng)材時(shí)孔邊最大應(yīng)力為94.3MPa），但補(bǔ)板的布置會(huì)導(dǎo)致孔邊出現(xiàn)新的高應(yīng)力區(qū)域，如在CP1-FB0-W試件處，增設(shè)補(bǔ)板會(huì)提高開孔190°附近的應(yīng)力水平，最大應(yīng)力由2.1MPa提高到50.8MPa；與之相比，在壓縮載荷作用下，增設(shè)補(bǔ)板對(duì)緩解骨材開孔孔邊應(yīng)力集中沒有明顯幫助，且增設(shè)補(bǔ)板同樣會(huì)造成新的應(yīng)力集中現(xiàn)象，如在CP1-FB0-W試件處增設(shè)補(bǔ)板會(huì)提高開孔165°附近的應(yīng)力水平，最大應(yīng)力由95.3MPa提高到164.1MPa。

圖6 不同補(bǔ)強(qiáng)形式下骨材開孔孔邊應(yīng)力分布情況

總而言之，骨材開孔孔邊應(yīng)力集中情況與載荷形式有一定的相關(guān)性，且不同的補(bǔ)強(qiáng)形式在不同載荷作用下會(huì)影響骨材開孔孔邊應(yīng)力的分布。鑒于此，考慮船體結(jié)構(gòu)主要受力形式，以此為依據(jù)增設(shè)不同的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)可較為合理地緩解船體結(jié)構(gòu)上骨材開孔孔邊應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

表2為各開孔孔邊應(yīng)力集中系數(shù)。由表2可知：增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)可減少骨材開孔孔邊應(yīng)力集中情況的發(fā)生，且在彎曲載荷作用下增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的作用十分明顯，應(yīng)力集中系數(shù)大幅降低；在壓縮載荷作用下，補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的布置也能降低開孔孔邊應(yīng)力集中系數(shù)，但下降幅度較為平緩，效果不明顯，這與圖6中得到的分析結(jié)果一致。

表2 各開孔孔邊應(yīng)力集中系數(shù)

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以船體雙層底局部結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用數(shù)值仿真方法分析其在彎曲、壓縮載荷作用下骨材貫穿孔孔邊應(yīng)力的分布情況，對(duì)比討論載荷形式和不同補(bǔ)強(qiáng)形式對(duì)孔邊應(yīng)力分布的影響，得到以下結(jié)論：

1) 雙層底結(jié)構(gòu)在彎曲、壓縮載荷作用下，其內(nèi)外底間肋板開孔孔邊會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在無(wú)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí)，2種載荷作用下產(chǎn)生的高應(yīng)力區(qū)域分布位置較為一致。

2) 在彎曲載荷作用下，通過增設(shè)補(bǔ)板與扶強(qiáng)材可有效緩解開孔孔邊的應(yīng)力集中情況；而在壓縮載荷作用下，補(bǔ)板和扶強(qiáng)材的布置對(duì)緩解開孔孔邊應(yīng)力集中情況的作用不明顯。

3) 在2種載荷作用下增設(shè)補(bǔ)板都會(huì)使補(bǔ)板與肋板連接處出現(xiàn)新的應(yīng)力集中區(qū)域。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

[1] NK. Casualty review-comparative damage review of 2nd generation VLCCs[R]. 1998.

[2] 王中華. 近海供應(yīng)船雙層底開孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J]. 船舶與海洋工程，2016, 32 (2): 16-20.

[3] 郭愛賓，邵文蛟. 船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析中的幾個(gè)問題[J]. 中國(guó)造船，2000, 41 (1): 52-59.

[4] 王建輝，胡安康，楊凡，等. 基于譜分析法的大型集裝箱船疲勞強(qiáng)度評(píng)估[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2017, 39 (13): 60-64.

[5] 劉玉超，任慧龍，孫梟雄，等. 復(fù)雜艙室船舶節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法研究[J]. 船舶力學(xué)，2017 (s1): 422-434.

[6] 羅盼，黃小平，孔小兵. 大型集裝箱船甲板縱骨節(jié)點(diǎn)疲勞壽命預(yù)報(bào)方法[J]. 船舶與海洋工程，2016, 32 (6): 1-10.

[7] LOTSBERG I, LANDET E. Fatigue capacity of side s in floating structures[J]. Marine Structures, 2005, 18: 25-42.

[8] 萬(wàn)正權(quán)，徐秉漢. 縱骨穿過艙壁板的開孔應(yīng)力集中系數(shù)[J]. 船舶力學(xué)，2002 (3): 28-36.