實(shí)肋板腹板開孔應(yīng)力分析與補(bǔ)強(qiáng)措施

謝琪，何菲菲，朱加剛，肖曙明

(1.中國(guó)船級(jí)社福州分社，福州 350028;2.中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

實(shí)肋板腹板開孔應(yīng)力分析與補(bǔ)強(qiáng)措施

謝琪1，何菲菲2，朱加剛2，肖曙明2

(1.中國(guó)船級(jí)社福州分社，福州 350028;2.中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

針對(duì)船體實(shí)肋板腹板開孔及幾種不同補(bǔ)強(qiáng)形式，應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，計(jì)算比較幾種補(bǔ)強(qiáng)措施的應(yīng)力集中系數(shù)，得出合理的補(bǔ)強(qiáng)形式，對(duì)腹板開孔中心在縱向位置的變化進(jìn)行討論，提出設(shè)計(jì)建議。

實(shí)肋板;補(bǔ)強(qiáng)型式;有限元分析

在船體結(jié)構(gòu)中，出于船舶總體布置需要，不可避免地要在桁材(如實(shí)肋板、甲板強(qiáng)橫梁等)腹板上開孔，以便于通行，電纜、管道鋪設(shè)或減輕結(jié)構(gòu)重量。桁材腹板上一旦開孔，就會(huì)在開孔邊緣區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)也將使構(gòu)件的強(qiáng)度特性(彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度等)降低。應(yīng)力集中會(huì)引起局部裂紋，裂紋擴(kuò)展的后果可能是引起個(gè)別結(jié)構(gòu)損壞，甚至引起整個(gè)船體損壞［1］。

為了保證主要構(gòu)件腹板開孔后的強(qiáng)度特性，因此在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理設(shè)計(jì)船體構(gòu)件的開孔形式、確定開孔位置及補(bǔ)強(qiáng)措施等，使得這些構(gòu)件在開孔后的孔緣應(yīng)力不超過容許范圍［2-5］。

針對(duì)上述問題，開展開孔對(duì)桁材腹板的應(yīng)力分布及強(qiáng)度影響有限元分析。

1 開孔腹板計(jì)算模型

選取一典型實(shí)肋板作為研究對(duì)象。該實(shí)肋板為組合型材，且腹板開孔尺寸和位置均滿足規(guī)范要求［6］。其帶板板厚tp=10 mm，有效寬度bp= 500 mm;T型材腹板板厚tw=10 mm，高度hw= 800 mm;面板板厚tf=12mm，寬度bf=500 mm;實(shí)肋板跨距l(xiāng)=8 000mm。腹板開孔取船體結(jié)構(gòu)中較為常見的腰圓孔形式，其中，圓孔直徑為d= 480 mm，腰圓孔長(zhǎng)a=640 mm，見圖1。

橫梁的材料為鋼，彈性模量E=206 GPa，泊松比ν=0.3，屈服應(yīng)力σy=235 MPa。

圖1 腹板開孔的實(shí)肋板示意

為了分析實(shí)肋板腹板開孔及補(bǔ)強(qiáng)后的應(yīng)力集中，采用有限元法計(jì)算，分別考慮4種方案的開孔及補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式［7］:

1)開孔未補(bǔ)強(qiáng)。

2)孔緣采用套環(huán)加強(qiáng)，其中套環(huán)的尺寸為套環(huán)寬度bl=80 mm，板厚tl=12.5 mm。

3)在開孔的四周布置加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋距孔緣的距離為80 mm，加強(qiáng)筋寬度bl=80 mm，板厚為tl=12.5 mm。

4)開孔加強(qiáng)(按俄羅斯《內(nèi)河船舶入級(jí)與建造規(guī)范》)，分別在實(shí)肋板腹板兩面交錯(cuò)設(shè)置加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋與水平方向的夾角α=40°，距孔緣的距離為40 mm，加強(qiáng)筋的尺寸為加強(qiáng)筋寬度bl= 80 mm，板厚tl=12.5mm;見圖2。

圖2 開孔加強(qiáng)(俄羅斯《內(nèi)河船舶入級(jí)與建造規(guī)范》)

建立有限元計(jì)算模型時(shí)，實(shí)肋板帶板、腹板及面板均采用四節(jié)點(diǎn)殼單元模擬，主要采用四邊形單元、三角形單元用于疏密網(wǎng)格的過渡。并對(duì)開孔周圍網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，結(jié)構(gòu)有限元模型，見圖3。

圖3 實(shí)肋板腹板開孔有限元模型

計(jì)算載荷確定如下。設(shè)實(shí)肋板承受集中力載荷F，即取實(shí)肋板面板承受相當(dāng)h=5.5 m水柱高時(shí)所對(duì)應(yīng)的載荷數(shù)值，計(jì)算載荷F=108.5 kN，施加至實(shí)肋板跨距中點(diǎn)面板處。

邊界條件取為兩端剛性固定。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2．1 孔周圍的應(yīng)力分布

針對(duì)計(jì)算中分析的開孔方案，由于開孔的布置關(guān)于實(shí)肋板跨距中線處l/2=4 000 mm對(duì)稱，取實(shí)肋板跨距模型一半，則無補(bǔ)強(qiáng)的孔緣應(yīng)力及各補(bǔ)強(qiáng)方案的應(yīng)力分布見圖4、5。此時(shí)梁的中和軸大約在0.5hw處。

圖4 實(shí)肋板應(yīng)力云

圖5 實(shí)肋板腹板受力

由圖4、5可見，孔緣的應(yīng)力對(duì)稱分布，腹板受力產(chǎn)生彎曲，由于產(chǎn)生的局部二次彎曲應(yīng)力，a處應(yīng)力較大，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。b處的應(yīng)力較小，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為緩和［8］。

2．2 各補(bǔ)強(qiáng)型式對(duì)實(shí)肋板強(qiáng)度的影響

根據(jù)上述加強(qiáng)方案，以開孔未作補(bǔ)強(qiáng)時(shí)的應(yīng)力為基準(zhǔn)，比較分析得出其他開孔補(bǔ)強(qiáng)形式的應(yīng)力集中相對(duì)系數(shù)，見表1。

表1 實(shí)肋板的各開孔補(bǔ)強(qiáng)型式與未補(bǔ)強(qiáng)時(shí)的應(yīng)力集中相對(duì)系數(shù)對(duì)比

分析表明。

1)采用方案2通過約束開孔自由邊，即套環(huán)加強(qiáng)對(duì)應(yīng)力集中影響最為明顯。對(duì)于船體結(jié)構(gòu)上的強(qiáng)應(yīng)力區(qū)域而言，采用這種方式補(bǔ)強(qiáng)最為有效。

2)采用方案3和方案4加強(qiáng)筋的補(bǔ)強(qiáng)方式，應(yīng)力集中相對(duì)系數(shù)下降了20%，對(duì)船體結(jié)構(gòu)較強(qiáng)應(yīng)力區(qū)域而言，采用這兩種補(bǔ)強(qiáng)方式可行。

2．3 開孔的縱向位置對(duì)實(shí)肋板強(qiáng)度的影響

考慮到腹板開孔位置沿梁跨長(zhǎng)方向的變化對(duì)實(shí)肋板強(qiáng)度的影響［7］，表2給出了腰圓孔的中心距端部不同距離時(shí)，即開孔中心位置xc/l的變化對(duì)實(shí)肋板強(qiáng)度的影響。

表2 開孔中心位置xc與跨長(zhǎng)l變化的影響

分析表明:

1)采用套環(huán)補(bǔ)強(qiáng)對(duì)應(yīng)力集中的影響較為敏感，且孔緣的應(yīng)力集中相對(duì)系數(shù)降低最快，因此，規(guī)范規(guī)定對(duì)于開孔邊緣應(yīng)采用面板加強(qiáng)(套環(huán))是合理的。

2)根據(jù)經(jīng)典的單跨梁理論，兩端剛固且中部受集中力載荷作用時(shí)，在xc/l=0.125、0.375時(shí)，載荷大小相等，即孔緣所受到的應(yīng)力也相等。根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，開孔在xc/l=0.125和0.375位置處所對(duì)應(yīng)的孔緣應(yīng)力大致相當(dāng)，亦表明該有限元計(jì)算分析正確。在xc/l=0.5時(shí)，孔緣處應(yīng)力最大，所以在生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免在跨中區(qū)域開孔

3)隨著開孔中心位置變化，孔緣無補(bǔ)強(qiáng)措施與采用套環(huán)補(bǔ)強(qiáng)的應(yīng)力相對(duì)集中系數(shù)基本一致，表明采用套環(huán)補(bǔ)強(qiáng)是最為有效的措施。

3 結(jié)論

1)有限元計(jì)算結(jié)果表明，由實(shí)肋板的特殊開孔所引起的應(yīng)力集中的影響僅限于孔緣周圍的局部區(qū)域，這與文獻(xiàn)［1］的理論解是一致的。

2)分析表明3種開孔的補(bǔ)強(qiáng)措施中采用套環(huán)的補(bǔ)強(qiáng)措施最為有效。另外兩種通過對(duì)孔緣周圍設(shè)置加強(qiáng)筋的補(bǔ)強(qiáng)措施，亦能使孔緣的應(yīng)力集中影響系數(shù)降低，且施工工藝簡(jiǎn)單、方便，在現(xiàn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，這兩種措施也是較為常見的解決方案。

3)在實(shí)肋板的跨中區(qū)域開孔時(shí)，開孔邊緣的應(yīng)力最大，所以應(yīng)盡量避免在跨中區(qū)域開孔，若需開孔，則應(yīng)對(duì)開孔采取補(bǔ)強(qiáng)措施。

［1］船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)院一室，譯.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)手冊(cè)［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1958.

［2］梅國(guó)輝，馮翰林，艦船強(qiáng)力骨架梁腹板開孔原則探討［J］.艦船工程研究，2007，119(4):29-32.

［3］張雋華.超規(guī)范要求的主要構(gòu)件腹板開孔設(shè)計(jì)研究［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2013，28(1):18-23.

［4］娜日薩.強(qiáng)梁腹板特殊開孔應(yīng)力分析與補(bǔ)強(qiáng)方法的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2002.

［5］朱功泉.CSR散貨船貨艙實(shí)肋板上開孔加強(qiáng)的研究［J］.船海工程，2009，38(1):4-7.［6］中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［7］巴塔西.基于PCL的帶開孔翼梁腹板參數(shù)化建模和分析［J］.計(jì)算機(jī)輔助工程，2012，21(1):18-22.

［8］任慧龍，娜日薩.強(qiáng)梁腹板特殊開孔應(yīng)力分析與補(bǔ)強(qiáng)方法研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，24(2): 128-131.

On Stress Analysis near the Hole of Plate Floor and the Strengthening Methods

XIE Qi1，HE Fei-fei2，ZHU Jia-gang2，XIAO Shu-ming2
(1.Fuzhou Branch of China Classification Society，F(xiàn)uzhou350028，China; 2.Wuhan Rules and Research Institute，China Classification Society，Wuhan 430022，China)

The forms of holes in the plate floor and their strengthening are FE analyzed by using ANSYS.The rational strengthening method is obtained through calculating and comparing the stress concentration coefficients of several kinds of strengthening.The influence of the longitudinal and vertical position of the hole upon the stress distribution is analyzed also in order to give some recommendations for structural design.

plate floor;strengthening;FEA

U661.43

A

1671-7953(2015)02-0061-03

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.016

2014-06-12

修回日期:2014-08-08

謝琪(1975-)，男，學(xué)士，工程師

研究方向:船舶與海洋工程

E-mail:jg_zhu@ccs.org.cn