114 000 t原油船折角點疲勞強度直接計算分析

2021-06-09 11:30:18吳定凡陸利平

江蘇船舶 2021年2期

葉旭，吳定凡，陸利平

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

0 引言

油船的疲勞強度一直是一個倍受關注的問題，其中底邊艙下折角連接處的疲勞強度需要利用有限元軟件進行校核。114 000 t原油船是一艘阿芙拉型油船，滿足雙殼油船規范(CSR-OT)對疲勞強度的要求。2015年，散貨船油船結構共同規范(HCSR)正式生效。HCSR與CSR-OT在計算方法上差異較大，滿足CSR-OT的疲勞強度要求不一定能滿足HCSR的要求。張華對比了靈便型油船在CSR-OT與HCSR結構規范計算之間的差異。石楊對比了HCSR和CSR-OT在疲勞計算載荷上的差異，論述了HCSR中底邊艙下折角處翼板和腹板上熱點應力計算方法,但沒有對比分析不同規范下兩者疲勞年限的差異和影響因素。

本文在114 000 t油船已滿足CSR-OT疲勞強度的基礎上，引入了HCSR，對比了兩個規范在底邊艙下折角點處熱點疲勞年限的差異，并基于HCSR重點分析影響內底板疲勞年限的幾個要素，以及有限元網格大小對計算結果的影響。

1 計算分析

1.1 計算模型

114 000 t油船疲勞計算局部有限元模型見圖1，底邊艙下折角點的有限元模型見圖2。CSR-OT和HCSR中疲勞計算工況參考具體的規范定義。

圖1 疲勞計算局部有限元模型

圖2 折角點疲勞有限元模型

1.2 計算結果對比

在CSR-OT計算中，疲勞年限比較難以滿足要求的是圖3中的熱點1、熱點2。按照CSR-OT的計算結果，熱點1和熱點2都滿足疲勞年限要求(設計使用年限為25 a)。同時基于HCSR，計算底邊艙折角區域的熱點1和熱點2的疲勞年限。兩者計算結果見表1。由表1可見，基于HCSR得到的熱點疲勞壽命要低于CSR-OT值，這說明新規范對油船下折角點的疲勞年限要求有所增加，計算更加嚴格。

熱點1—內底板靠近貨油艙一側；

表1 按照不同規范計算的熱點疲勞年限單位：a

1.3 HCSR疲勞年限的影響要素分析

針對焊接形式的底邊艙下折角熱點，在HCSR中，疲勞強度主要和熱點附近的應力范圍相關，因此研究不同板厚和焊腳長度對疲勞年限的影響，有助于設計者找到一個合理的結構形式，從而滿足HCSR對疲勞強度的要求。

1.3.1 焊腳長度

焊腳長度的定義見圖4。CSR-OT和HCSR都考慮了焊腳長度對疲勞年限的影響。在HCSR中，焊腳的最大長度不能超過基礎板(如內底板)的凈厚度。為了研究焊腳長度對疲勞年限的影響，以HCSR為計算依據，計算了不同焊腳長度下內底板(熱點1)的疲勞年限，計算結果見表2。

圖4 焊腳長度定義

表2 不同焊腳下熱點1的疲勞年限

由表2可知：疲勞年限和焊角長度基本呈線性關系，增加焊角長度可以顯著增大疲勞年限，這也是針對焊接型節點的一個有效提高疲勞強度的方法。

1.3.2 內底板板厚

從應力上來說，增加內底板的板厚會降低熱點的應力，從而提高熱點的疲勞壽命。為此，分別將內底板凈板厚設置為16、20、24、28、32 mm這5個值，并且不考慮焊腳長度的影響(焊腳長度定為0)。由于HCSR規定了熱點區域的疲勞網格大小要嚴格按照凈厚度乘以凈厚度，所以分別劃分5個有限元子模型進行計算，計算結果見表3。

表3 不同板厚下的疲勞年限

由表3可知：內底板的疲勞年限隨其厚度的增加而增大，基本也呈線性關系。但需要注意的是，對于凈厚度大于22 mm的板，HCSR中引入了板厚修正因子

，見下式：

50/22

)

式中：

50為板的凈厚度；

為厚度指數。

內底板厚度增加：一方面會提高板厚修改因子，增大累積損傷值，降低疲勞壽命；另一方面，熱點應力會隨著板厚的增加而降低。兩者效果相反，所以會出現在某些情況下增加板厚也無法繼續提高疲勞壽命，這時就需要從結構形式上來改進。

1.3.3 雙層底實肋板插厚區域板厚

在屈服強度計算中，為了滿足細網格的要求，雙層底實肋板插厚區域

值一般要比其周邊的實肋板厚度大。為了兼顧屈服強度，考慮

對內底板疲勞強度的影響，將

取值從20 mm增加到36 mm，并且不考慮焊腳長度的影響，計算結果見表4。

表4 不同tw的疲勞年限

由表4可知：

值增大，內底板疲勞年限緩慢增加，但改善效果不明顯；

從20 mm增加到36 mm，其疲勞年限才增加2 a左右。因此，該方案可以作為一個備選方案，在內底板疲勞年限與要求差距不大的情況下可以考慮增大插厚板的尺寸。

1.3.4 網格大小

CSR-OT和HCSR均要求疲勞網格的大小要和評估點的凈厚度值保持一致。但是，實際操作中需要劃分多個模型來完成疲勞強度的計算。另外，疲勞計算需要多次調整板厚，這就導致了疲勞網格需要進行多次調整。為此，本文研究網格大小對疲勞壽命的影響。

標準內底板凈厚度設為20 mm，標準網格大小為20 mm×20 mm。將內底板網格大小從12 mm依次增大到32 mm，板厚保持20 mm不變，劃分6個細化模型進行計算，計算結果見表5。

表5 不同網格大小下內底板的疲勞年限

由表5可知：內底板凈板厚為20 mm時的疲勞年限為18.1 a；當網格尺寸減小時，疲勞年限還是18 a左右；當網格尺寸從20 mm增大時，疲勞年限依次增加?？梢姡嬎憬Y果是不保守的。因此，可以得出結論：在做實際疲勞分析時，網格尺寸可以比分析位置的板厚小，這樣對計算結果幾乎沒有影響，但若網格尺寸過大，計算結果不保守。

2 HCSR肘板趾端的疲勞強度

HCSR相較于CSR-OT，針對底邊艙下折角，增加了內底板嵌接肘板(熱點6)的疲勞計算要求，見圖5。114 000 t油船的原始設計見圖6，設計成2塊不同形式的肘板。在HCSR中，熱點6的疲勞評估方法不同于前面的內底板。按照規范要求：評估區域的網格大小為10 mm×10 mm，在熱點位置處使用梁單元來獲取熱點的應力，梁單元的高度和所分析板的厚度相同，寬度方向可以忽略。細節有限元模型見圖7。

圖5 熱點6位置

圖6 肘板形式

圖7 熱點6的疲勞網格模型和插值方向

由表6可知：肘板1和肘板2在垂直于內底板方向(方向2)的疲勞強度容易滿足25 a設計年限的規范要求，但在沿著內底板方向(方向1)，肘板1的疲勞強度則不滿足規范要求，這也說明HCSR規范對油船疲勞強度要求更加嚴格。

表6 疲勞年限

為了提高肘板1的疲勞壽命，比較有效的方法有2個。

(1)沿內底板方向進行局部插厚，其模型見圖8。將內底板板厚由原始設計的17.8 mm(凈厚度)提高到25 mm(凈厚度)后，肘板1的疲勞年限已經滿足要求。需要注意的是，內底板插厚會導致肘板沿2方向的疲勞年限由47 a降低到41 a，帶來負作用，所以也不能無限制地增加板厚。

圖8 內底板局部插厚

(2)在不改變板厚的情況下，可以修改肘板1的形式，見圖9。將原始設計中(圖中虛線)結構形式修改為實線部分，肘板1趾端的疲勞年限由20 a增加到42 a。這說明結構形式的修改對熱點6的疲勞影響較大。

圖9 肘板形式修改

3 結論

(1)針對焊接型底邊艙下折角點，HCSR要比CSR-OT要求更嚴格，疲勞年限更難滿足要求。

(2)在HCSR體系下，可以從焊腳長度、板厚方面對焊接型熱點進行加強。一般來說，焊腳長度越大，疲勞年限越長，并且改善效果相當明顯。

(3)對于疲勞年限計算而言，有限元網格的大小可以比評估區域的凈板厚要小，這對疲勞年限計算結果影響不大。但是網格不能超過評估區域的凈板厚，否則會導致計算結果不保守。 (4)針對HCSR所增加的內底板背肘板區域的熱點疲勞，原始的設計不一定能滿足規范要求。沿著內底板方向的疲勞強度會比垂直于內底板方向的疲勞強度更低。因此，可以通過插厚內底板和優化肘板形式來提高該熱點的疲勞強度。