VLCC貨油艙斜梯梯道孔設計與強度校核

朱培培，焦玲玲，盛利賢

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

在船舶正常運營期間，需定期對其進行檢驗，以免船舶因遭受腐蝕、碰撞、摩擦或超載而出現裂縫、屈曲或變形等情況，同時確保鋼板的損減厚度在許可范圍內。為對船體結構進行全面檢驗和近觀檢驗，必須設置合適的通道[1]。例如，超大型油船（Very Large Crude Carrier, VLCC）貨油艙的橫艙壁水平桁兼作通道需設置斜梯貫穿，上部開設有梯道孔，而構件設置開孔可能會影響局部結構的強度，使開孔板孔邊在載荷的作用下出現高應力（甚至嚴重的應力集中）現象，導致材料進入屈服狀態或產生裂紋，從而引起結構破壞。因此，對開孔區域的結構強度進行分析尤為重要。

梯道孔的設計和強度校核分屬舾裝和結構2個專業，為實現專業互通和更好地進行專業協調，本文以某VLCC為例，對其梯道孔的設計和強度校核進行分析。

1 梯道孔設計

VLCC貨艙斜梯孔通常設置在橫艙壁水平桁上，貨油艙內的載荷工況較為復雜，為盡量降低開孔對結構強度的影響，需在設計方案初期綜合考慮水平桁上防傾肘板和腹板加強筋的位置，確定梯口的尺寸和位置。

1.1 梯道孔尺寸

斜梯梯道孔要方便人員通過，孔的大小與斜梯的傾斜角度θ和梯子寬度b密切相關。梯子外圍設有扶手等外圍梯架，外圍梯架寬度通常取150mm，當梯子寬度b給定時，梯道孔的寬度B等于梯子寬度b、外圍梯架寬度和余量三者之和，余量考慮兩邊至少留有20mm的空隙，若孔邊設置面板，則需在余量中考慮面板厚度。斜梯的梯口長度通常需保證2m高的人能直立通過斜梯而不會碰到其頭部，當斜梯的傾斜角度θ給定時，考慮梯子臺階的位置，可通過作圖法得到梯口長度。

斜梯上端部一般焊接在可支撐斜梯的構件上，為便于靠梯，盡量將靠梯一側孔邊做成平直形狀。為改善應力集中問題，邊緣用小半徑倒圓過渡，在條件允許的情況下盡量將半徑做大，但圓弧半徑的大小需保證梯子和梯架垂向順利延伸。圖1為梯道孔倒圓尺寸要求示意，其中：d為梯子端部支撐件的寬度；D為梯道孔的寬度；b1為梯子和外圍梯架的總寬，必須保證D＞b1。

1.2 梯道孔位置

為提高分段舾裝的完整性，盡量避免梯子和梯道孔跨分段布置。對于VLCC艙壁水平桁而言，端部肘板圓弧的拐點左右延伸一個縱骨間距s的區域（見圖2）為高應力區，在布置梯道孔時應盡量避開該區域。但是，在實際操作過程中考慮到檢驗的方便性和分段舾裝的完整性等，需綜合考慮各梯口的位置，梯道孔所處位置可能不可避免地臨近高應力區，此時需通過有限元來評估其強度。

圖1 梯道孔倒圓尺寸要求示意

圖2 油船艙壁水平桁高應力區示意

此外，斜梯口與相應艙壁水平桁下端艙壁及水平桁加強構件的布置尺寸關系如下：

1) 若下梯前方是艙壁，人員通過的有效距離C需滿足一般通道的最小要求，即大于600mm；

2) 斜梯口一般布置在水平桁兩加強構件之間，不僅要避開加強構件，而且須考慮人員通過時其頭部是否會與加強構件相碰，使構件完全位于下梯斜線之外（見圖3）[2]。

圖3 梯道孔位置設計要求

圖4 梯道孔設計實例

本文對某VLCC水平桁上的梯道孔進行設計，該船包含左、中、右等3個艙，垂向設置3道水平桁，其中第一道水平桁和第二道水平桁上設置有梯道孔（見圖4）。為避免跨分段設計，將邊貨艙梯道孔設置在水平桁中部，將中貨艙的一個梯道孔設置在水平桁一側的端部。

斜梯的傾斜角度θ和梯子寬度b在建造規格書中限定，本實例取θ=55°，b=500mm，靠梯側用倒圓過渡，倒圓半徑取 200mm，另一側呈半圓狀。為保證梯子和梯架垂向延伸，同時考慮到后續孔邊可能設置面板，梯道孔的寬度最終取740mm；為保證2m高的人在直立通過斜梯時不會碰到頭部，通過作圖法最終確定梯道孔長度為1750mm，初始板厚取20mm，材料為AH32鋼。

2 梯道孔有限元強度校核

2.1 主要支撐構件開孔強度分析流程

對于船長在150m以上的油船，其結構強度要滿足規范《Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers》[3]（以下簡稱“規范”）的相關要求。根據規范的要求，開孔的有限元強度分析流程見圖5，若開孔處于圖2所示的高應力區，則必須進行細網格篩選。

圖5 開孔的有限元強度分析流程

圖 5中：h0為平行于桁材腹板高度方向的開孔高度，mm；h為開孔處桁材腹板的高度，mm；為平行于桁材腹板方向的開孔長度，mm；λsc為篩選因子，本文根據求取；Ch為系數，對主要支撐構件腹板上的開孔有對肘板和支撐肘板腹板上的開孔有Ch=1.0；r為開孔半徑，mm；k為材料系數；σx為艙段有限元分析確定的單元x方向的軸向應力， N /mm2；σy為艙段有限元分析確定的單元y方向的軸向應力， N /mm2；τxy為艙段有限元分析確定的單元的剪應力， N /mm2。坐標系與開孔參數示意見圖6。λscperm為許用篩選因子，對于S+D工況有λscperm=1.70，對于S工況有λscperm=1.36。

圖6 開孔參數示意

評估范圍見圖7，應按衡準要求驗證圖7中腹板上陰影部分的各單元。

圖7 開孔細網格篩選評估范圍

2.2 有限元模型

對實例中水平桁上的梯道孔進行強度校核。首先采用三艙段模型進行三艙段粗網格分析，模型網格尺寸采用縱骨間距或舷側肋骨間距。模型中所有板均采用三節點或四節點板殼單元模擬，所有加強筋和高腹板的面板均采用梁單元模擬。建模時構件的尺寸采用建造厚度，可在LR/CSR FE Analysis軟件中扣除腐蝕余量。按照規范第七章的要求施加相應的邊界條件和載荷，經過載荷組合之后的工況共計 64個，采用LR/CSR FE Analysis軟件進行加載計算。

艙段有限元計算完成之后，需通過第2.1節中的細網格篩選流程判斷是否需對開孔區域進行網格細化分析。對于實例中的VLCC，最終確定需對中艙艙壁水平桁上的開孔進行網格細化分析，這種網格細化分析既可通過在艙段模型中嵌入細化網格區域進行，又可使用單獨的包含細化網格區域的局部有限元模型進行，此時邊界條件從艙段模型中獲取[4]，本文采用的是前一種方法。

對于需進行網格細化分析的開孔區域，開孔周圍最內2層單元的網格尺寸應不大于50mm×50mm，直接焊接在開孔邊緣的邊緣加強筋應使用殼單元建模，靠近開孔的腹板加強筋可使用距離開孔邊緣50mm以外的桿單元或梁單元建模。

2.3 評估準則

根據規范第七章的要求，細網格評估衡準為λf≤λfperm，其中λf為細網格屈服利用系數。對于板單元而言，λf=σvm/RY，其中：σvm為合成應力， N /mm2，RY為名義屈服應力，取值235/k，k為材料系數，對于 AH32的鋼，k=0.78。λfperm為細網格屈服利用系數許用值，對于不靠近焊縫的單元，S+D工況有λfperm= 1 .70ff，S工況有λfperm= 1 .36ff；對于靠近焊縫的單元，S+D工況有λfperm= 1 .50ff，S工況有λfperm= 1 .20ff。

ff為疲勞系數，一般而言ff=1.0；若按照規范第九章第二部分的要求對該細網格節點進行疲勞分析并滿足要求，則ff=1.2。

采用LR/CSR FE Analysis軟件對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工況保持統一，這樣不靠近焊縫的單元屈服利用系數許用值取為1.70，靠近焊縫的單元屈服利用系數許用值取為1.50，若疲勞強度滿足要求，則相應屈服利用系數許用值擴大1.2倍。

2.4 應力結果分析

通過計算得到水平桁梯道孔的應力結果，中艙后艙壁梯道孔在各工況下的最大應力云圖見圖8。從結果中可看出，開孔角隅point1和point2處的合成應力較大，中艙前艙壁和后艙壁產生最大應力的工況是不同的，分別為港內和艙室試驗工況下的A11和A13工況（見表1），兩者均為評估水平桁所在艙室為滿艙的情況。中艙后艙壁梯道孔在A11工況下的變形與應力云圖見圖9。從圖9中可看出，水平桁肘板過渡區域變形較大：一方面近端部時在剪力的作用下形成較大的次彎矩[5]，該區域整體應力偏大；另一方面開孔角隅point1和point2單元對角受拉，使得應力集中問題較為嚴重。2處應力較大的區域均不靠近焊縫，其中：point1處通過加大板厚易使其屈服利用系數滿足規范的要求值1.7；point2處的屈服利用系數為2.19，遠超出許用值。

表1 2道油密縱艙壁油船船中貨艙區域有限元載荷組合（部分）

2.5 結構加強分析

為滿足規范的要求，針對上述應力結果，提出以下幾種解決方法：

1) 加大板厚（方法A）。加大板厚是減小應力的有效方法，但若應力集中問題較為嚴重，加大板厚并不會使應力明顯下降，最終使得滿足要求的板厚較大，該方法的經濟性欠佳。

2) 加大圓弧半徑（方法 B）。加大應力集中位置的圓弧半徑能使應力較大位置的圓弧趨于緩和，在一定程度上改善應力集中問題。考慮到為方便靠梯而對開孔端部圓弧尺寸提出的要求，可將圓弧改成橢圓弧。

3) 增加面板（方法 C）。在孔的邊緣增加面板可顯著改善開孔圓弧位置的應力集中問題，但增加面板本身會使結構重量增加，且會給施工帶來不便，甚至可能因結構間的距離過近而產生無法焊接的情況，因此是否采用該方法需綜合考慮。

4) 對應力集中點進行精細網格疲勞分析，通過滿足疲勞強度，提高細網格屈服利用系數的許用衡準（方法 D）。若應力集中點的疲勞強度滿足要求，則疲勞系數取 1.2，細網格屈服利用系數許用值λfperm可放大1.2倍。疲勞評估方法參照肘板自由邊的疲勞評估方法：網格尺寸為t×t, 邊緣采用高度等于板厚、寬度等于1的虛擬梁單元模擬。

5) 改變斜梯梯道開孔的位置（方法 E）。改變梯子和梯道孔的布置，如將中部水平桁開孔設置在靠近跨距中部的區域，細網格篩選結果表明，該處開孔無須進行細網格分析，但為兼顧分段舾裝的完整性，本文暫不考慮采用該方法。

圖10為部分加強方法示意，表2為各加強方法對比。

圖10 部分加強方法示意

表2 梯道孔加強方法對比

從表2可看出，方法C中滿足規范要求的腹板厚度最小，但考慮到焊接工藝的要求，本文最終采用方法D，point2處對應最小疲勞壽命為102a，遠大于設計疲勞壽命25a，疲勞強度滿足規范的要求，相應不靠近焊縫區域的細網格屈服利用系數許用值取2.04，滿足要求的板厚為24mm(AH32)。這里的強度校核方法和加強方法對開孔強度分析具有普適性。

3 結 語

本文基于規范要求對某VLCC貨艙區的斜梯梯道孔進行了設計和強度校核分析，重點介紹了斜梯梯道孔的尺寸和位置確定方法、有限元開孔強度分析流程、細網格校核方法和如何對不滿足規范要求的部分進行結構加強，最終采用何種加強方法需綜合考慮經濟性和工藝要求之后選取。本文采用的強度校核方法和加強方法對開孔強度分析具有普適性，可供后續類似船型的斜梯梯道孔設計和開孔強度分析參考。