油船結構強度設計和審圖要點

楊 燕

（中國船級社審圖中心，上海 200135）

0 引 言

船舶在航行中受力相當復雜，船體結構在外載荷作用下可能的破壞方式有：1) 屈服，壓載艙過載后，內殼縱骨產生永久變形；2) 屈曲，板格、筋、支柱受壓后失穩(wěn)；3) 疲勞，縱骨肘板趾端長期承受波浪載荷產生裂縫；4) 脆性斷裂，碳素鋼在低溫下產生脆性斷裂，所以需要嚴格選擇鋼材材料。

為抵抗這些破壞，船體結構需有足夠的強度儲備。要求設計者在船體結構的設計過程中，以及船級社在結構圖紙的審核過程中，都應對結構易于破壞的關鍵部位給予足夠的關注，做到合理的布置、結構加強和優(yōu)化設計。本文結合油船結構審圖中的經驗，分項列舉了規(guī)范校核及有限元計算中，船體結構構件的高應力區(qū)域以及需要注意的問題。

1 油船總縱強度

1.1 總縱彎曲應力

由船體梁靜水彎矩和波浪彎矩分布可知，船體梁總縱彎矩在船舯0.4L區(qū)域達到最大，因此通常船舯區(qū)域的船體梁縱向強力構件應保持連續(xù)。為保證總縱強度，國際船級社協(xié)會（IACS）在統(tǒng)一要求UR S7和S11中規(guī)定了船體梁最小剖面模數和最小慣性矩，共同結構規(guī)范（CSR）中也有相似規(guī)定，注意船舯0.4L區(qū)域內計入船舯最小剖面模數和慣性矩的縱向連續(xù)構件尺寸應保持不變[1]。

甲板和船底板作為整個船體梁的翼板，是承受總縱彎曲應力最大的部位。油船由于防污染的要求會設置雙層底，因此距中和軸最遠的甲板，其總縱強度要求無疑是甲板部位最核心的要求。故甲板部位的開孔，應盡量做成長圓形并沿船長方向布置，以減小開孔對船體梁剖面模數的影響，同時可有效降低局部應力集中系數。諸如，甲板縱骨上的扇形孔（往往是流油/水孔）剛好處于分段焊縫處，CSR規(guī)定了其扇形孔的長寬比應大于4.0。

1.2 船體梁剪力

由船體梁靜水剪力和波浪剪力分布可知，船體梁剪力往往在橫艙壁處達到最大。32萬 t超大型油船（VLCC）舷側是雙殼結構，舷側外板、內殼縱艙壁及邊縱艙壁是構成整個船體梁的腹板部分，由于舷側外板和內殼縱艙壁距離較近，而邊縱艙壁的位置相對獨立，三者在承擔剪切能力有所不同。相對來說，邊縱艙壁的剪切強度是考核的重點。按CSR的要求，貨油艙之間的縱艙壁應進行剪力修正，這是因為縱艙壁作為橫艙壁水平桁的支座，而橫艙壁水平桁的支座反力，恰恰反映在縱艙壁上是剪力。特別是最下面的水平桁處。為此，縱艙壁在橫艙壁水平桁部位的板厚需要增加，其范圍為橫艙壁水平桁前后一個強框架，在水平桁設置的一邊，應為2個強框架。

2 疲勞強度

2.1 疲勞誘導載荷

疲勞強度分析時的應力長期分布計算，應考慮下列波浪誘導載荷：1) 船體梁垂向和水平波浪彎矩；2)波浪動壓力；3) 船舶運動引起的艙室內動壓力。

2.2 疲勞壽命計算

疲勞壽命可由下式計算：

式中：T——疲勞壽命，年；C——影響疲勞的參數；σΔ——動應力，N/mm2；K——應力集中系數。

眾所周知，動載荷是引起結構疲勞的主要因素，降低應力水平對減少疲勞的貢獻較大。從以上公式可見，動應力下降10%，疲勞壽命可以提高30%。

2.3 疲勞強度S-N曲線及其選擇

鋼質焊接接頭的疲勞強度，是以S N- 曲線來表征的，曲線給出了施加到所給結構細節(jié)的應力范圍和恒定幅值載荷下失效循環(huán)數之間的關系。加強筋端部節(jié)點細節(jié)如圖2所示，S N- 曲線如圖3所示。對于船舶結構細節(jié)，S N- 曲線表示如下：

式中：S——應力范圍，N/mm2；N——應力范圍S下的失效循環(huán)數；m——常數，取決于材料和焊接類型、加載類型、幾何和環(huán)境條件；2K——常數，取決于材料和焊接類型、加載類型、幾何和環(huán)境條件。

圖2 端部節(jié)點形式及疲勞曲線

圖3 疲勞強度S-N曲線

2.4 角鋼和T型材疲勞壽命比較

CSR中對于側向受載板格上非對稱加強筋翼板的應力集中因子作了規(guī)定，詳見圖4，當翼板自由邊距離腹板中心線越小，應力集中系數越大[2]。以腹板和面板相同的T型材和L型材進行比較，疲勞壽命可相差9年。因此在油船舷側結構的疲勞敏感區(qū)域，縱骨宜選用對稱T型材，相較角鋼有較好的抗疲勞效果。

2.5 疲勞敏感部位及其改善措施

油船舷側結構的疲勞敏感區(qū)域位于輕壓載吃水至結構吃水間（此處波浪動載荷最大），其縱骨端部節(jié)點應盡量采用軟趾形式和圓弧形背肘板以提高疲勞曲線等級，如圖5所示。對于在承受軸向載荷為主的部位，如甲板縱骨應考慮加設軟根，也是對疲勞有利的措施。

圖4 角鋼和T型材疲勞壽命的比較

圖5 疲勞敏感部位及其改善措施

3 底部砰擊和艏部沖擊

3.1 底部砰擊

CSR規(guī)定：首垂線向后0.3L的船底平坦區(qū)域及從基線起500mm高度范圍內相連接的板和扶強材應進行底部砰擊加強，見圖6。

圖6 底部拍擊區(qū)域結構加強示例

需要注意的是：

1) 縱骨端部需要特別注意，中斷處盡量做到有效支持。穿過強框架處要有足夠的連接面積，加頂筋、肘板、全補板等；

2) 底部肋板開孔處補強，且盡量避免開孔在肋板端部；

3) 注意縱骨的焊接要求是否滿足，應有足夠的焊角高度。

3.2 艏部沖擊

CSR規(guī)定：首垂線向后0.1L區(qū)域內舷側結構應進行艏部沖擊加強。設計時應特別注意：

1) 縱骨端部中斷處需要特別注意，設置肘板實現有效支持[3]；

2) 壓應力或者剪應力大的地方，需要注意板格的屈曲；

3) 跨距大，折角大的地方，強構件加設防傾肘板。

4 液艙晃蕩

CSR規(guī)定，應考慮由于船舶運動而導致艙內液體自由運動而產生的晃蕩壓力，如貨油艙的縱向晃蕩，在距離橫艙壁0.25艙長范圍內構件需要晃蕩評估，特別注意橫艙壁前后一檔強橫梁，縱骨穿過時一般需加設補板。強橫梁屈曲加強筋，有時需要減小間距或者加設肘板減小跨距，以滿足晃蕩要求。端部削斜加強筋處的腹板板厚，因為晃蕩壓力，也需要特別考慮。

5 艙段有限元分析

5.1 艙段有限元模型

CSR規(guī)定，應對中部貨艙區(qū)域的船體梁縱向構件、主要支撐構件和橫艙壁的尺寸，首部貨艙區(qū)域的縱向船體梁抗剪構件進行強度評估。中部艙段有限元模型縱向范圍應覆蓋船中的三個貨艙長度，模型兩端應包括橫艙壁。首部貨艙抗剪能力有限元模型也應包括三個貨艙區(qū)域，見圖7。

5.2 艙段有限元屈服及屈曲校核

艙段有限元屈服及屈曲校核，見圖8。

圖7 艙段有限元模型范圍

圖8 艙段有限元屈服與屈曲

5.3 高彎曲應力與高剪應力區(qū)域

如前所述，經過艙段有限元分析，橫向強框架位于跨距端部的剪應力較大，應通過加大腹板厚度或調高鋼材等級進行補強。強框架開孔處會導致腹板實際抗剪面積減小，局部應力集中較大，應盡量避開剪應力較大的跨距端部區(qū)域?？缇喽瞬繌澢鷳^大處，可以通過加大面板或者調高鋼材等級以滿足要求。主要支撐構件的過渡圓弧半徑不宜過小，且沿圓弧邊緣應設置防傾肘板，以提高彎曲面板的有效性?？v骨穿越孔與腹板開孔過近處，需加設補板。

5.4 艙段有限元分析屈曲危險區(qū)域

1) 裝載呈中拱狀況下，船艙中間部分的船底外板處于受壓狀態(tài)，易發(fā)生局部板架屈曲，見圖9；

2) CSR考慮橫浪海況，船艙中間部分的舷側外板受壓狀態(tài)，易發(fā)生局部板架屈曲，見圖10；

圖9 船底屈曲強度

圖10 舷側外板屈曲強度

3) CSR考慮橫浪海況，水密橫艙壁在一邊滿艙一邊空艙載況下，還要承受橫向波浪壓力的作用，其屈曲要求明顯提高，見圖11。

圖11 水密橫艙壁板屈曲強度

對于上述船體結構屈曲區(qū)域，可以通過加厚板或者加設局部屈曲加強筋進行局部補強。

6 結 語

隨著世界貿易的發(fā)展，油船運輸在經濟發(fā)展中的作用日益重要。本文結合審圖經驗且參照《CSR油船共同規(guī)范》（2010），介紹了油船的結構強度設計以及結構審圖的要點。希望對油船的設計和檢驗起到一定的參考作用。

[1] 船體強度與結構設計[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1992.

[2] 中國船級社. 鋼質海船入級規(guī)范2009（第6分冊）[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[3] Design of Ship Hull Structures[M]. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2009.