考慮腐蝕損傷的雙體船連接橋結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析

周維

(中國(guó)船級(jí)社上海分社，上海 200137)

雙體船比一般單體船具有更大型寬的結(jié)構(gòu)特征，故其橫向強(qiáng)度問(wèn)題變得十分突出，并且連接橋結(jié)構(gòu)的高度和片體型深相差較多，因此連接橋區(qū)域的強(qiáng)度問(wèn)題是進(jìn)行雙體船強(qiáng)度分析的關(guān)鍵所在[1-3]。為減輕結(jié)構(gòu)重量，滿足雙體船舶輕量化需求，鋁合金材料在雙體船得到普遍的應(yīng)用。由于鋁合金船會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的點(diǎn)腐蝕導(dǎo)致船體構(gòu)件有效厚度減薄，從而使船體結(jié)構(gòu)對(duì)外載荷的抵抗能力下降；其中，抵抗屈曲破壞的能力下降更為劇烈[4]。因此對(duì)于服役一定年限的鋁質(zhì)船舶，為確保船體結(jié)構(gòu)的安全，需研究點(diǎn)腐蝕對(duì)船舶鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的影響。為此，以某鋁質(zhì)雙體船為對(duì)象，對(duì)其連接橋區(qū)域的含腐蝕損傷板和加筋板結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度進(jìn)行，首先對(duì)腐蝕損傷情況進(jìn)行分析，針對(duì)關(guān)鍵因素——腐蝕體積[5]，建立包含腐蝕因素的鋁質(zhì)雙體船連接橋基本板格結(jié)構(gòu)和加筋板結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度工程化評(píng)估方法；然后建立目標(biāo)船主船體結(jié)構(gòu)的三維模型，根據(jù)中國(guó)船級(jí)社(CCS)規(guī)范確定載荷及計(jì)算工況；通過(guò)對(duì)目標(biāo)船的實(shí)船檢測(cè)和有限元分析，校核連接橋結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度，對(duì)工程化評(píng)估方法進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證。

1 連接橋結(jié)構(gòu)腐蝕損傷特征分析

點(diǎn)腐蝕是鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)在實(shí)際海洋環(huán)境中發(fā)生的典型腐蝕形態(tài)，是在鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生針尖狀、點(diǎn)狀或孔狀的一種局部的腐蝕形態(tài)，在鋁合金船體外表面比較普遍，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致船體穿孔。圖1所示為目標(biāo)船連接橋區(qū)域腐蝕損傷情況，可以看出在連接橋面板、框架及加強(qiáng)T排上點(diǎn)腐蝕很普遍。

圖1 目標(biāo)船連接橋區(qū)域腐蝕損傷情況

表征船體結(jié)構(gòu)點(diǎn)腐蝕損傷狀態(tài)的檢測(cè)參數(shù)主要有：蝕坑密度、蝕坑深度和蝕坑直徑。實(shí)船測(cè)量主要是針對(duì)以上3個(gè)檢測(cè)參數(shù)而開展的，所采用的設(shè)備為YR-FS-S型腐蝕凹坑深度儀和數(shù)字式游標(biāo)卡尺。

通過(guò)對(duì)連接橋面板、橫向框架及加強(qiáng)T排3個(gè)位置蝕坑密集區(qū)域的觀察和測(cè)量發(fā)現(xiàn)：蝕坑密度基本一致，單位面積(100 mm×100 mm)測(cè)算得到的蝕坑數(shù)目在3～4個(gè)，在后續(xù)計(jì)算中蝕坑密度取為400 個(gè)/m2。

1.1 測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

對(duì)面板、橫向框架及加強(qiáng)T排3個(gè)位置共120組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見表1。

由表1可見，雖然在各個(gè)局部測(cè)量位置上，蝕坑深度與蝕坑直徑具有一定的相關(guān)性，但不同位置上的相關(guān)系數(shù)差異較大，最大的相關(guān)性系數(shù)為0.274(橫向框架區(qū)域、負(fù)相關(guān))；通過(guò)對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的分析發(fā)現(xiàn)，其相關(guān)性系數(shù)僅為0.014，這表明目標(biāo)船蝕坑深度與蝕坑直徑二者基本不存在相關(guān)性，應(yīng)視為統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的隨機(jī)性變量。

表1 蝕坑統(tǒng)計(jì) mm

1.2 基于重點(diǎn)樣本數(shù)據(jù)的腐蝕體積計(jì)算方法

船體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)腐蝕損傷較為復(fù)雜，需要綜合考慮多個(gè)參數(shù)，但是如果將多個(gè)參數(shù)同時(shí)用到船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析中，分析會(huì)變得更加復(fù)雜且難以得到理想的結(jié)果。通過(guò)對(duì)實(shí)船檢測(cè)的所有參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，將參數(shù)綜合起來(lái)得到更簡(jiǎn)單的工程化參數(shù)——腐蝕體積，用于后續(xù)的強(qiáng)度分析。

基于重點(diǎn)樣本數(shù)據(jù)的腐蝕體積計(jì)算方法利用蝕坑數(shù)目和腐蝕坑的測(cè)量數(shù)據(jù)作為輸入，并結(jié)合概率論中的極值理論，預(yù)測(cè)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的平均蝕坑深度和平均蝕坑直徑，進(jìn)而計(jì)算腐蝕體積。為便于考慮，在分析時(shí)采用的基本假設(shè)如下：①蝕坑深度和蝕坑直徑均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布；②所有蝕坑的柱形系數(shù)取為1，即都為圓柱形蝕坑。

根據(jù)極值理論，選取的測(cè)點(diǎn)樣本數(shù)據(jù)最大蝕坑深度、最大蝕坑直徑就是目標(biāo)區(qū)域所有蝕坑隨機(jī)變量的極值，可以通過(guò)這3個(gè)參數(shù)(樣本數(shù)目、極大值和均值)迭代計(jì)算獲取估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)差。

確定了蝕坑深度、直徑的統(tǒng)計(jì)參數(shù)之后，就可以對(duì)蝕坑進(jìn)行模擬得到檢測(cè)區(qū)域內(nèi)所有腐蝕坑的深度和直徑數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出腐蝕體積。由于蝕坑深度和蝕坑直徑均為隨機(jī)變量，因此腐蝕體積也是隨機(jī)變量，每一次模擬可能產(chǎn)生不同的腐蝕體積。為了得到較合理的腐蝕體積，應(yīng)該進(jìn)行足夠多次的模擬，并取多次模擬的平均值作為最終的腐蝕體積,見表2。在后續(xù)的實(shí)船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中，單位面積(1 m2)腐蝕體積統(tǒng)一采用表2中所有測(cè)點(diǎn)區(qū)域的統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果(即腐蝕體積為690.4 mm3)。

表2 不同區(qū)域單位面積(1 m2)腐蝕體積計(jì)算結(jié)果 mm3

2 連接橋結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度數(shù)值仿真

2.1 板格結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析

根據(jù)規(guī)范[6]選取的基本板格指除周界以外，域中無(wú)任何骨材和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，目標(biāo)船連接橋區(qū)域板格尺寸為1 850 mm×300 mm×12.5 mm，鋁合金材料屈服強(qiáng)度為215 MPa，彈性模量E=0.7×105MPa，泊松比γ=0.33，初始缺陷參考文獻(xiàn)[7]進(jìn)行設(shè)定，邊界條件設(shè)為四邊簡(jiǎn)支。圖2為含點(diǎn)蝕基本板格有限元模型，點(diǎn)蝕坑采用圓柱形腐蝕坑的形式，均勻分布于板格兩面，每50 mm×50 mm區(qū)域存在1個(gè)點(diǎn)蝕坑，點(diǎn)蝕坑直徑及深度根據(jù)不同腐蝕體積而定，腐蝕面積不超過(guò)總面積的25%，腐蝕深度不超過(guò)初始厚度的50%。通過(guò)計(jì)算得到不同腐蝕體積下板格結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度折減因子(見圖3)，折減因子定義為腐蝕情況下極限強(qiáng)度與不考慮腐蝕情況下極限強(qiáng)度的比值，腐蝕體積為點(diǎn)腐蝕損傷板的腐蝕體積ΔV與為無(wú)腐蝕損傷板的體積V的比值。

圖2 含點(diǎn)蝕基本板格有限元模型

圖3 板格極限強(qiáng)度折減因子隨腐蝕體積變化

由圖3可見,腐蝕體積較小時(shí)，在短邊受壓工況和剪切工況下，板格極限強(qiáng)度變化并不明顯，當(dāng)腐蝕體積增大到一定程度時(shí)，極限強(qiáng)度才開始出現(xiàn)比較明顯的下降；而對(duì)于長(zhǎng)邊受壓工況，板格極限強(qiáng)度下降趨勢(shì)隨腐蝕體積的增大呈現(xiàn)出近似線性變化的現(xiàn)象，且變化趨勢(shì)較短邊受壓工況和剪切工況更為明顯。通過(guò)回歸分析擬合得到折減因子計(jì)算公式。

1)短邊受壓工況。

(1)

2)長(zhǎng)邊受壓工況。

(2)

3)剪切工況。

(3)

采用式(1)～(3)對(duì)含點(diǎn)蝕損傷板的極限強(qiáng)度的計(jì)算值與有限元計(jì)算結(jié)果的偏差不超過(guò)2%，認(rèn)為具有良好的擬合效果，可用于對(duì)目標(biāo)船點(diǎn)蝕損傷板的極限強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估。

2.2 加筋板結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析

選取單根T型加筋板(見圖4)，加筋板帶板尺寸為1 850 mm×300 mm×12.5 mm，加強(qiáng)筋腹板尺寸為45 mm×4.3 mm，加強(qiáng)筋翼板尺寸為45 mm×4 mm。邊界條件設(shè)定為在加強(qiáng)筋端部與橫向框架連接處施加簡(jiǎn)支約束，在帶板長(zhǎng)邊施加對(duì)稱約束。點(diǎn)蝕坑設(shè)置參照前述設(shè)定，計(jì)算得到不同腐蝕體積下點(diǎn)蝕加筋板的極限強(qiáng)度折減因子，見圖5。

圖4 T型加筋板幾何模型

圖5 加筋板極限強(qiáng)度折減因子隨腐蝕體積的變化

由圖5可見，加筋板極限強(qiáng)度隨腐蝕體積的增大呈現(xiàn)出先快速下降而后趨于平緩的特征，通過(guò)回歸分析擬合得到折減因子計(jì)算公式。

(4)

采用式(4)對(duì)含點(diǎn)蝕損傷加筋板極限強(qiáng)度的計(jì)算值與有限元計(jì)算結(jié)果的偏差除個(gè)別計(jì)算點(diǎn)外不超過(guò)2%，具有良好的擬合效果。

3 整船有限元計(jì)算

3.1 有限元模型

為進(jìn)行連接橋區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估，需獲取船體在各工況下相關(guān)區(qū)域的應(yīng)力情況，建立目標(biāo)船主船體結(jié)構(gòu)三維有限元模型，見圖6。該船總長(zhǎng)46 m、型寬12 m、型深4.5 m，設(shè)計(jì)吃水1.75 m，采用縱骨架式與橫骨架式相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，肋距為0.60 m，連接橋部位每隔兩個(gè)肋距為一強(qiáng)橫框架結(jié)構(gòu)。

圖6 主船體有限元模型

有限元模型包含了船體主甲板以下的所有主要構(gòu)件，在建模過(guò)程中，有限元模型與船體實(shí)際結(jié)構(gòu)的差別主要體現(xiàn)在：①為了便于建模和有限元計(jì)算，且考慮到對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，局部細(xì)小構(gòu)件沒有考慮；②忽略了甲板以及部分構(gòu)件腹板上的小開孔；③船體上層建筑及內(nèi)部大型設(shè)備采用等效載荷的型式施加于主體結(jié)構(gòu)上。對(duì)目標(biāo)船，選取用于模擬船體結(jié)構(gòu)的單元類型主要有兩種，即殼單元和梁?jiǎn)卧Ｆ渲写w板用殼單元模擬，板上的縱骨、縱桁、肋骨等主要構(gòu)件用梁?jiǎn)卧M，并考慮梁的偏心距。主船體模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為65 143，單元總數(shù)為68 737。邊界條件根據(jù)規(guī)范[10]設(shè)定，在縱中剖面上取首、尾部各一點(diǎn)A和B，中部舷側(cè)取點(diǎn)C。約束A點(diǎn)的x、y、z3個(gè)位移分量，約束B點(diǎn)的y、z位移分量，約束C點(diǎn)的z向分量，各支點(diǎn)的約束示意于圖7。

圖7 約束條件

3.2 載荷工況

船舶在外載荷作用下的總強(qiáng)度問(wèn)題主要包含總縱彎曲、總橫彎曲、縱向扭轉(zhuǎn)。篇幅所限，省去通過(guò)船級(jí)社規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算的詳細(xì)過(guò)程，僅給出最終計(jì)算得到的載荷，見表3。船舶實(shí)際的載荷工況是多種載荷耦合下的結(jié)果，參考規(guī)范給出的12種典型工況進(jìn)行計(jì)算。在考慮外載荷施加時(shí)，將總縱彎矩?fù)Q算為對(duì)應(yīng)的集中力施加在片體底部中縱桁上，橫向彎矩對(duì)船體的作用可以通過(guò)橫向?qū)﹂_力來(lái)模擬，換算成等效的集中力施加在片體強(qiáng)框架處，轉(zhuǎn)矩的施加可以用與其等效的反對(duì)稱分布的均布載荷施加于片體底部中縱桁。

表3 載荷計(jì)算結(jié)果

3.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與載荷提取

以總橫彎矩狀態(tài)(向外)工況計(jì)算結(jié)果為例，提取出連接橋上甲板應(yīng)力圖(圖8b))，可觀察到應(yīng)力最大值出現(xiàn)在船體尾部區(qū)域。提取出該板格x軸，y軸軸向壓應(yīng)力及x-y平面內(nèi)剪切應(yīng)力的最大值用于后續(xù)極限強(qiáng)度評(píng)估，對(duì)其余工況的處理類同。

圖8 總橫彎矩狀態(tài)(向外)工況計(jì)算結(jié)果

4 連接橋結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析

4.1 含點(diǎn)蝕損傷板格及加筋板極限強(qiáng)度校核

在進(jìn)行連接橋結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，首先根據(jù)船型選擇規(guī)范中給出的無(wú)腐蝕損傷板格的極限強(qiáng)度評(píng)估公式。

(5)

結(jié)合前面計(jì)算得到的折減因子公式對(duì)式(5)進(jìn)行修正，即將σxu、σyu、τxyu乘以相應(yīng)的折減系數(shù)得到含點(diǎn)蝕損傷板在單軸應(yīng)力作用下的x軸、y軸的極限壓應(yīng)力和極限剪切應(yīng)力，故含點(diǎn)蝕損傷板的極限強(qiáng)度校核公式為

(6)

式中：ρx為對(duì)應(yīng)短邊受壓工況下的折減因子系數(shù)；ρy為對(duì)應(yīng)長(zhǎng)邊受壓工況下的折減因子系數(shù)；ρxy為對(duì)應(yīng)剪切工況下的折減因子系數(shù)。

短邊受壓工況下加筋板的極限強(qiáng)度校核公式進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

(7)

式中：ρsx為加筋板短邊受壓工況下的折減因子。

4.2 實(shí)船連接橋結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度評(píng)估

根據(jù)之前的實(shí)船腐蝕測(cè)量數(shù)據(jù)，腐蝕體積比為0.011 05%，帶入式(1)～(4)，ρx=0.993 6，ρy=0.997 0，ρxy=0.999 7，加筋板極限強(qiáng)度折減因子為ρsx=0.943 3。將折減因子和應(yīng)力值帶入修正后的極限強(qiáng)度校核公式，對(duì)連接橋結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度進(jìn)行校核。

隨著腐蝕體積變大，連接橋結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)不滿足要求的情況。以規(guī)范中(6)0.8MBY(中垂)+0.6Mty為例，選取#26～#26.5肋位處的板格，選定的腐蝕體積比下的折減因子及極限強(qiáng)度校核結(jié)果見表4。

表4 腐蝕體積對(duì)極限強(qiáng)度校核的影響

可以看出，隨著腐蝕體積增加，極限強(qiáng)度校核系數(shù)逐漸增大，當(dāng)腐蝕體積比為3%時(shí)，該處板格不滿足極限強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)。

目標(biāo)雙體船連接橋區(qū)域?qū)崪y(cè)的腐蝕體積很小，其極限強(qiáng)度的校核結(jié)果與無(wú)腐蝕情況基本相同，當(dāng)前的腐蝕狀態(tài)對(duì)連接橋結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度影響幾乎可以忽略不計(jì)。但是，對(duì)于某些關(guān)鍵位置的結(jié)構(gòu)，當(dāng)腐蝕體積達(dá)到一定程度之時(shí)，其極限強(qiáng)度校核不滿足規(guī)范要求。對(duì)于所選板格，腐蝕體積達(dá)到3%左右，蝕坑密度為400個(gè)/m2，蝕坑直徑為15 mm時(shí)，蝕坑深度為2.65 mm，是對(duì)應(yīng)板厚的21.2%，并未達(dá)到常規(guī)換新要求(25%)。因此對(duì)于服役一定年限的雙體船，若未做好相關(guān)的腐蝕防護(hù)措施，連接橋結(jié)構(gòu)區(qū)域存在一定程度上的安全隱患。

5 結(jié)論

1)含點(diǎn)蝕損傷板和加筋板的極限強(qiáng)度與腐蝕體積之間存在較強(qiáng)相關(guān)性，并且不同工況下，極限強(qiáng)度隨腐蝕體積的變化趨勢(shì)具有顯著區(qū)別。考慮到加筋板極限強(qiáng)度隨腐蝕體積的增大呈現(xiàn)出先快速下降而后趨于平緩的趨勢(shì)，因此在腐蝕發(fā)展的前期階段采取相關(guān)防腐蝕措施意義更大。

2)當(dāng)腐蝕體積較小時(shí)，連接橋區(qū)域的部分結(jié)構(gòu)存在不滿足極限強(qiáng)度要求的情況，此時(shí)并未達(dá)到規(guī)范要求的換新厚度，需要予以重點(diǎn)關(guān)注。在工程實(shí)踐中可以考慮適當(dāng)增加關(guān)鍵位置板厚及加強(qiáng)腐蝕防護(hù)。

所述基于腐蝕體積的點(diǎn)蝕損傷板格及加筋板極限強(qiáng)度校核方法可為在役鋁質(zhì)雙體船發(fā)生點(diǎn)蝕損傷后的安全評(píng)估提供技術(shù)參考。