5萬噸級成品油船典型節(jié)點設計優(yōu)化

王 麒 淋

（中國船級社審圖中心，上海 200135）

0 引 言

隨著世界航運市場競爭的日益激烈，成品油船日益受到投資者青睞。此類油船通常具有槽形橫、縱艙壁設計，而橫、縱艙壁的頂凳端部和十字交叉區(qū)域多是應力集中區(qū)域。一般的有限元粗網格計算并不能準確地評估該節(jié)點的應力水平。以往，這些節(jié)點的設計以經驗格式為主。在油船共同結構規(guī)范（CSR）推出之后，對原有油船設計和研發(fā)帶來很大的影響[1,2]。很多原有油船采用有限元軟件進行了強度評估[3～5]，但主要側重于新規(guī)范實施帶來的變化或者計算方法、計算工具的介紹，缺少對節(jié)點評估結論的詳細分析。

1 船體結構細化有限元分析要求和步驟

船體結構細節(jié)連接有兩類最基本的形式：1) 結構幾何連接突變處，如：雙殼油船的底邊艙折角，超大型集裝箱船的內殼和平臺的連接部位，這類結構細節(jié)的構造特點是結構布置上的突變性；2) 肘板連接處，如：船體甲板縱骨與橫艙壁垂直扶強材的端部連結。

對于此類結構細節(jié)的應力分析，通常采用細化網格的有限元分析法。國際船級社協會推出的油船共同結構規(guī)范給出了油船結構節(jié)點細化分析的具體實施要求和衡準。

1.1 建模要求

細化網格區(qū)域的網格尺寸應不大于50mm×50mm。一般情況下，細化網格區(qū)域的范圍在校核區(qū)域的所有方向應不少于10個單元。細化網格區(qū)域內的所有板材和筋應以板單元表示。

1.2 計算工況個數

對于只有一道縱艙壁的油船，計算工況（含動工況和靜工況）共23個[1]，如無風暴壓載工況，則計算工況共22個。

1.3 衡準

油船共同結構規(guī)范對于遠離焊縫區(qū)域和鄰近焊縫區(qū)域，給出了不同的應力衡準，考慮到焊縫周圍由于焊接熱效應有可能導致的殘余應力，因此對焊縫區(qū)域的許用應力更小，即應力衡準更加嚴格（見表1）。

表1 應力衡準

1.4 細化網格有限元分析

分析流程見圖1。

圖1 細化網格有限元分析流程

2 節(jié)點分析及優(yōu)化實例

2.1 節(jié)點分析

選取一條典型的5萬噸級成品油船，其槽形橫艙壁端部和槽形橫、縱艙壁頂凳底板十字交叉區(qū)域的結構形式見圖 2、3。根據艙段粗網格計算結果，頂凳底板與舷側水平桁相交處（見圖 2）、橫、縱艙壁頂凳底板相交處（見圖3）顯示出較明顯的應力集中，應進一步進行細化網格分析，細化模型見圖4、5，為準確描述肘板幾何形狀，細化網格尺寸達到 50mm×50mm甚至更小。值得注意的是，對于網格尺寸小于50mm×50mm的細化網格，應先等效化到50mm×50mm的網格后再進行應力評估。

計算結果表明，在肘板處（圖4、5中圓圈標示位置）顯示出應力集中嚴重，在B10港內工況下達到最大，分別為461N/mm2和479N/mm2，位于肘板自由邊處，為拉應力，應力結果如圖6、7所示。肘板自由邊屬遠離焊縫單元，許用應力取為400N/mm2，故此處節(jié)點應力超過許用應力，須進一步加強。

圖4 節(jié)點1～2細化模型

圖5 節(jié)點3～6細化模型

圖6 節(jié)點1～2細網格應力云圖

圖7 節(jié)點3～6細網格應力云圖

為使節(jié)點設計改進有的放矢，詳細分析產生該兩處節(jié)點應力水平較高的原因：1) 由于槽型艙壁頂凳位置高，局部載荷小，其寬度、板厚均不及底凳，因此頂凳處剛度較小。在B10工況（一邊空艙，一邊滿艙）承受側向載荷時，就會產生較大變形，導致頂凳端部應力較高。進一步與母型船比較發(fā)現，為控制空船重量，槽型橫艙壁的幾何形狀由半舷6個槽條減少為半舷4個槽條，進一步降低了橫艙壁的整體剛度；2) 十字交叉區(qū)域，肘板尺寸過小，不足以承受交叉區(qū)域的剪力，以致在橫向、縱向結構過渡處產生較大的應力集中。

2.2 節(jié)點設計優(yōu)化

設計了4種不同方案，以改善節(jié)點的應力。

2.2.1 增設主要支撐構件

為加強頂凳處的整體剛度，在橫艙壁頂凳跨距中點處，沿原有甲板縱骨增設一道縱向強支撐結構，見圖8中陰影區(qū)域。計算結果見圖9、10，最大應力分別為440N/mm2和474N/mm2，分別減小4.6%、1.0%，仍不滿足衡準要求。

圖8 方案1結構加強

圖9 方案1加強后節(jié)點1～2應力云圖

圖10 方案1加強后節(jié)點3～6應力云圖

2.2.2 增加板厚

將十字交叉區(qū)域的板厚由25AH32加強至27AH32，計算結果見圖11、12，最大應力分別為441N/mm2和460N/mm2，分別減小4.3%、4.0%，仍不滿足衡準要求。

圖11 方案2加強后節(jié)點1～2應力云圖

圖12 方案2加強后節(jié)點3～6應力云圖

2.2.3 肘板處增設面板

在節(jié)點1～6的肘板處增設FB100X25AH32的對稱面板，以增加肘板剛度，計算結果見圖13、14，最大應力分別為432N/mm2和558N/mm2，分別減小6.3%和增加16.5%。由圖13、14可以看出，肘板邊緣的應力大幅降低，但肘板趾端出現應力集中。肘板趾端屬鄰近焊縫區(qū)域，衡準要求應取為362N/mm2，這樣雖然肘板圓弧處應力降低，但是肘板趾端的應力卻超出了衡準，仍未達到節(jié)點改善之目的。另外由于面板為上下對稱形式，洗艙時肘板上部面板處的油污將較難去除，會對洗艙帶來不利影響。

圖13 方案3加強后節(jié)點1～2應力云圖

圖14 方案3加強后節(jié)點3～6應力云圖

2.2.4 增大肘板尺寸

參照中國船級社（CCS）規(guī)范中有關主要支撐構件端肘板的臂長要求[6]，將節(jié)點1處的肘板由550mm×550mm/R600mm增大至900mm×900mm/R1200mm，將節(jié)點2處的肘板由700mm×700mm/R800mm增大至900mm×900mm/R1200mm，計算結果如圖15、16，最大應力分別為412N/mm2和404N/mm2，分別下降10.6%、15.7%。最終結果滿足衡準要求。

圖15 方案4加強后節(jié)點1～2應力云圖

圖16 方案4加強后節(jié)點3～6應力云圖

2.2.5 計算結果

頂凳底板與舷側水平桁相交處以及橫、縱艙壁頂凳底板十字交叉處不同改進方案的計算結果匯總見表2。

表2 不同方案的計算結果匯總

比較不同方案的計算結果可知：應力集中的主要原因在于肘板尺寸太小，以致橫向與縱向結構相交處的應力得不到釋放。采用增設主要支撐構件（方案1）或增加板厚（方案2），并不能有效地降低節(jié)點應力結果，而且會增加較多的空船重量；采用增設肘板面板（方案3），雖然可以降低肘板邊緣處的應力，但引起肘板趾端的應力集中。故最終確定方案4，即：增大肘板臂長及圓弧半徑。最終應力結果相比原結果分別減小了10.6%和15.7%，滿足衡準要求，且每檔橫艙壁處增加空船重量僅約為0.067t。

3 結 語

采用細化網格分析法能夠清晰反映結構在較小區(qū)域內的梯度變化，為船舶結構細節(jié)設計提供了可靠的依據。

針對該成品油船典型節(jié)點的細化分析，可以得到以下結論：

1) 成品油船的槽形橫艙壁頂凳處剛度較小，故其十字交叉區(qū)域結構過渡處會出現較大應力集中；

2) 對于成品油船的槽形橫艙壁頂凳底板與舷側水平桁相交處以及槽形橫、縱艙壁頂凳十字交叉區(qū)域，在設計時，肘板臂長和相應的圓弧半徑不宜太小，至少應與頂凳底板的寬度相當。

[1] 吳嘉蒙. 適應共同結構規(guī)范的30.8萬t VLCC船型開發(fā)[J]. 上海造船, 2008, (2): 8-13.

[2] 田明琦，熊飛. 308000dwt超大型油船總體設計綜述[J]. 上海造船, 2011, (4): 4-7.

[3] 林 莉，王麒淋，錢 峰. 基于共同結構規(guī)范的油船結構分析方法[J]. 上海造船, 2008, (3): 8-10.

[4] 陳有芳，許 允，張少雄. 27000dwt化學品/成品油船結構強度直接計算[J]. 船海工程, 2010, Vol.39(4): 8-10.

[5] 詹志鵠，李 峰，周 瑋. 船體結構強度分析中局部網格細化方法研究[Z]. 2006.

[6] 中國船級社. 鋼質海船入級規(guī)范[S]. 2012.