基于共同規(guī)范的散貨船貨艙口角隅疲勞強度評估

趙武浩 顏世文

（徐州市地方海事局 徐州221000）

0 引 言

船舶在海上航行，其結(jié)構(gòu)一直受到不斷變化的波浪力及運動產(chǎn)生的各種慣性力的作用，它們在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生交變應(yīng)力，長期交變應(yīng)力作用將會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷。隨著船舶的日趨大型化以及高強度鋼在船體結(jié)構(gòu)中被廣泛采用，船體結(jié)構(gòu)的疲勞強度評估顯得越來越重要。對于船長超過200 m的大型船舶，總損傷數(shù)的70%屬于疲勞損傷，疲勞損傷成為引起船舶結(jié)構(gòu)破壞的主要原因［1］。

《散貨船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范》［2］自生效以來，經(jīng)歷數(shù)次修訂，對散貨船的疲勞強度有明確要求。本文選取176 000 dwt散貨船作為研究對象，根據(jù)《散貨船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范》對貨艙口角隅處進行疲勞強度評估。

1 實船資料

船舶的主尺度如下：

176 000 dwt散貨船為雙層底、單舷側(cè)結(jié)構(gòu)，設(shè)有頂邊艙和底邊艙。全船共有9個貨艙，8道垂向槽型橫艙壁并設(shè)有頂?shù)屎偷椎?。雙層底高度2 450 mm，肋距920 mm，雙層底布置中縱桁、管隧以及10道旁縱桁，共有38根船底縱骨。位于底凳下方每兩個肋距布置一道肋板，貨艙區(qū)域每三個肋距布置一道肋板。船舶隔艙裝載工況時，第1、3、5和9貨艙裝載，其余為空艙；船舶重壓載情況下，第5為重壓載艙。

2 建立有限元模型

2.1 有限元模型

按照規(guī)范要求，采用三維有限元模型。模型的縱向范圍應(yīng)覆蓋船中3個貨艙和4道橫艙壁，模型包括端部的橫艙壁連同各自上下底凳和位于端面位置的強框架，兩端均應(yīng)形成垂直平面。為了考慮橫向波浪載荷的不對稱性，有限元模型還應(yīng)該覆蓋船舶的左右舷。

對于船體結(jié)構(gòu)的所有主要構(gòu)件如：外殼、甲板和內(nèi)底板、雙層底縱桁和肋板、橫框架、頂邊艙和底邊艙斜板等強構(gòu)件均應(yīng)用殼單元建模；對于板上的縱骨，加強筋和扶強材等采用梁單元。熱點區(qū)域的網(wǎng)格采用精細網(wǎng)格，網(wǎng)格的單元尺寸近似等于評估區(qū)域的凈厚度，單元的長寬比應(yīng)接近1，四邊形單元的角應(yīng)盡可能為90°或應(yīng)在45°～135°之間。網(wǎng)格尺寸從精細網(wǎng)格逐漸過渡到細化網(wǎng)格，過渡區(qū)域所有構(gòu)件，包括肘板、縱骨及扶強材使用具有彎曲和膜特性的殼單元建模，焊接的幾何形狀沒有考慮。

艙段有限元模型及角隅細化網(wǎng)格如圖1所示。

2.2 邊界條件

為保證變形后兩個斷面仍滿足平斷面假設(shè),可以通過多點約束實現(xiàn)，斷面兩剖面的縱向構(gòu)件節(jié)點應(yīng)與位于中心線上中和軸處的獨立點剛性關(guān)聯(lián)見表1，兩端獨立點應(yīng)按表2約束。

圖1 艙段有限元模型及角隅細化網(wǎng)格

表1 兩端的剛性關(guān)聯(lián)

表2 獨立點的支撐條件

2.3 工況定義

由于本船是BC-A船舶，No.5貨艙為壓載艙，根據(jù)規(guī)范，該船有滿載、隔艙裝載、正常壓載和重壓載共4種裝載工況，并且每一種裝載工況又可以進一步分為8種載荷工況。因此，疲勞損傷評估共有32種計算工況。裝載工況和載荷工況的定義，使用CCS船級社開發(fā)的CCS-Tools程序進行加載［3］。

對于每種裝載工況，應(yīng)考慮的載荷工況為：

（1）與 EDW“H”對應(yīng)的“H1”和“H2”（迎浪）；

（2）與 EDW“F”對應(yīng)的“F1”和“F2”（隨浪）；

（3）與 EDW“R”對應(yīng)的“R1”和“R2”（橫浪）；

（4）與 EDW“P”對應(yīng)的“P1”和“P2”（橫浪）。

具體的工況和載荷工況見表3和4。

表3 裝載工況（中間艙為載貨艙）

表4 載荷工況

2.4 疲勞載荷

根據(jù)規(guī)范，使用CCS-Tools自動加載軟件施加的疲勞載荷包括：

（1）波浪引起的船體梁載荷，包括波浪彎矩和扭矩；

（2）船舶運動引起的舷外海水動壓力，主要作用在板架上，如船底板架、舷側(cè)板架等；

（3）艙內(nèi)貨物和壓載水對艙內(nèi)底板、舷側(cè)外板和橫艙壁等的動壓力，由于貨物與船舶相對運動造成的慣性力。

3 結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力結(jié)果

本船采用普通鋼和部分高強度鋼，艙口角隅采用的是高強度鋼其許用應(yīng)力為355 MPa。MSC.Nastran計算結(jié)果知四種工況的最大應(yīng)力，如圖2～5所示，從結(jié)果看出應(yīng)力都小于規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

圖2 滿載時最大應(yīng)力云圖

圖3 隔艙裝載時最大應(yīng)力云圖

圖4 正常壓載時最大應(yīng)力云圖

圖5 重壓載時最大應(yīng)力云圖

3.2 疲勞強度衡準

用合成等效應(yīng)力計算的累計疲勞損傷D應(yīng)符合下列衡準：

式中：Dj為各裝載工況“j”的基本疲勞損傷。

3.3 疲勞強度校核

應(yīng)用MSC.Nastran軟件計算32種計算工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，然后進行彎矩剪力修正。重新提交計算，彎矩剪力修正后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力通過線性插值得到熱點部位的熱點應(yīng)力，最后按照共同規(guī)范第8章第2節(jié)進行疲勞損傷計算。本文使用CCS船級社開發(fā)的CCS-Tools程序?qū)Ω鳠狳c的疲勞損傷進行計算［4］，疲勞分析結(jié)果見表 5。

表5 疲勞分析結(jié)果

圖6 單元上下表面定義示意圖

4 結(jié) 語

根據(jù)散貨船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范，對一艘176 000 dwt散貨船貨艙角隅處進行疲勞強度評估，通過建立詳細的疲勞熱點位置的結(jié)構(gòu)有限元模型，計算角隅在32種工況下的應(yīng)力水平，然后采用CCS船級社開發(fā)的CCS-Tools程序計算熱點處的疲勞損傷，計算結(jié)果表明貨艙口角隅處的疲勞強度滿足規(guī)范要求。

［1］Proceedingsofthe7thInternationalShipStructuresCongress［R］.Pairs，August 1979.

［2］IACS.Common Structural Rules for Bulk Carrier［S］.2009.

［3］中國船級社.IACS共同結(jié)構(gòu)規(guī)范軟件—直接計算（散貨船）使用手冊（疲勞加載）［M］.2009.

［4］中國船級社.IACS共同結(jié)構(gòu)規(guī)范軟件—直接計算（散貨船）使用手冊（疲勞強度評估）［M］.2009.