老齡船體強(qiáng)度校核中載荷及測厚數(shù)據(jù)的處理方法

陳　武，張岳林，蘇里陽

(1.海軍駐溫州地區(qū)軍事代表室，浙江 舟山 316000；2.海軍試驗基地第310所，河北 秦皇島 066000；

3.海軍91550部隊，山東 煙臺 265700)

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老齡船體強(qiáng)度校核中載荷及測厚數(shù)據(jù)的處理方法

陳武1，張岳林2，蘇里陽3

(1.海軍駐溫州地區(qū)軍事代表室，浙江 舟山 316000；2.海軍試驗基地第310所，河北 秦皇島 066000；

3.海軍91550部隊，山東 煙臺 265700)

摘要：為了得到老齡船體剩余強(qiáng)度計算方法，對老齡船體載荷的變化、施加方法及測厚數(shù)據(jù)的使用方法進(jìn)行了研究。研究表明，在使用規(guī)范計算法計算總縱彎曲應(yīng)力的過程中，根據(jù)新船的剪力彎矩計算書計算老齡船體的受力是偏于安全的，使用平均減薄數(shù)據(jù)比使用最大減薄數(shù)據(jù)計算的應(yīng)力值更接近仿真結(jié)果。該研究能提高老齡船體強(qiáng)度計算的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：老齡船體；強(qiáng)度校核；載荷；測厚數(shù)據(jù)

0引言

隨著海軍現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，一批新型戰(zhàn)艦加入海軍序列，但與此同時仍有大量老齡艦艇正在服役。隨著服役時間的增加，船艇由于腐蝕、疲勞損傷等作用，其抵抗外力所致破壞性變形的能力也隨之下降，船體強(qiáng)度是否符合規(guī)范要求直接決定了艦艇能否繼續(xù)服役。雖然船體結(jié)構(gòu)設(shè)計是按照有關(guān)規(guī)范嚴(yán)格進(jìn)行的，但對于老齡艦艇，如何評估其可靠性尚未形成規(guī)范，學(xué)者們紛紛對此進(jìn)行了研究，如戴仰山等[1]對極限彎矩定義、極限強(qiáng)度條件以及砰擊振動彎矩計算等問題進(jìn)行了討論。本文在這些研究的基礎(chǔ)上，對老齡船體強(qiáng)度校核中載荷、測厚數(shù)據(jù)的處理方法進(jìn)行了研究。

1載荷的處理

船體梁各橫剖面的中拱波浪彎矩MW(+)和中垂波浪彎矩MW(-)應(yīng)分別按式(1)、式(2)計算：

MW(+)=190×10-3MCL2BCb

(1)

MW(-)=-110×10-3MCL2B(Cb+0.7)

(2)

式中：L為設(shè)計水線長，m；B為船寬，m；MW(+)、MW(-)分別為中拱波浪彎矩和中垂波浪彎矩，kN·m；M為彎矩分布系數(shù)，如圖1所示，其中，f為船長分布系數(shù)，x為被校核與舯部的距離；Cb為方形系數(shù)，Cb≥0.60；C為系數(shù)，按下列各式計算：

C=0.041 2L+4，當(dāng)L<90 m時；

C=10.75，當(dāng)300 m≤L≤350 m時；

圖1　彎矩分布系數(shù)圖

對于老齡船體，由于腐蝕等因素影響，船體物理、幾何屬性發(fā)生以下兩方面變化[2]：

(1)由于腐蝕作用，船體重量減輕，中拱、中垂彎矩較腐蝕之前有所減小。

(2)由于中拱、中垂彎矩的作用，船體沿船長方向可能會產(chǎn)生一定程度的變形，這種變形實際造成船長水平方向的減小，所以考慮變形作用，老齡船體中拱、中垂彎矩較新船有所減小。

出于以上2點原因，根據(jù)新船的剪力彎矩計算書計算老齡船體的受力是偏于安全的，加之剪力彎矩計算是一個復(fù)雜的過程，所以在老齡艦艇的強(qiáng)度校核中，不建議對腐蝕后老齡船體的實際剪力彎矩進(jìn)行計算，而是參考該船設(shè)計的剪力彎矩計算書。

在老齡船體“彎矩與剪力計算書”中量得某肋骨處的正常排水量時的彎矩和壓頭值[3]。剪力取其附近最大值，對量取的彎矩值考慮波浪對船長位置的影響。彎矩值計算按式(3)修正：

M′=(M0-M靜)α+M靜

(3)

式中：M′為作用在船體艏艉被校核剖面內(nèi)的計算彎矩值；M0為波峰與波谷處于舯部位置時所計算的被校核剖面的彎矩值；M靜為船體處于靜水中時被校剖面彎矩值；α為系數(shù)，按式(4)計算：

(4)

2有限元分析中載荷與邊界條件的施加

邊界條件如圖2所示。圖2中，在端面A與B內(nèi)中和軸與縱中剖面相交處建一個參考點H，在參考點上施加總縱彎矩。端面各縱向構(gòu)件節(jié)點自由度δx、δy、δz與參考點耦合約束，如圖3所示，即圖2為載荷與邊界條件的理論施加方法，圖3為有限元中的具體實現(xiàn)。端面A與B內(nèi)參考點H橫向線位移、垂向線位移、繞縱向軸的角位移約束，即δy=δz=θx=0；端面A內(nèi)參考點H縱向線位移約束，即δx=0?？傮w載荷工況邊界條件見表1。

3測厚數(shù)據(jù)的處理

得到船體某剖面構(gòu)件測厚數(shù)據(jù)后，將測厚數(shù)據(jù)填入船體剖面要素計算表中，即可進(jìn)行該剖面要素計算。記錄表中未進(jìn)行測厚的構(gòu)件，需以其相鄰構(gòu)件的測厚數(shù)據(jù)進(jìn)行代替。然而，由船體板材、型材測厚記錄表可知，各構(gòu)件測厚數(shù)據(jù)經(jīng)常包含幾個測點，若利用平均值進(jìn)行強(qiáng)度校核，則容易忽略大深度蝕坑處的應(yīng)力集中，計算結(jié)果偏于危險，但若以最小厚度作為該板的剩余厚度，又容易低估船體剩余強(qiáng)度，造成不必要的退役。由于規(guī)范計算法不能反映蝕坑處應(yīng)力集中，所以需要與有限元法進(jìn)行對比[5]。本文所取的算例為一單層底船體梁，其外板、縱骨剖面要素分別見表2、表3。

圖2　邊界條件

圖3　耦合約束與施加總縱彎矩

位置線位移約束角位移約束δxΔyδzθxθyθz縱中剖面(半寬模型)固定固定固定節(jié)點G(全寬模型)固定端面A、B相關(guān)相關(guān)相關(guān)獨立點H(端面A)固定固定固定固定彎矩獨立點H(端面B)固定固定固定彎矩

表2　剖面要素表(外板)

表3　剖面要素表(縱骨)

考慮腐蝕減薄之后，在中拱狀態(tài)下，用有限元法計算時船舯剖面應(yīng)力云圖如圖4所示，各構(gòu)件中拱應(yīng)力填入表3中。用船體梁彎曲理論計算時分別使用船體構(gòu)件平均腐蝕厚度和最大腐蝕厚度數(shù)據(jù)計算的各構(gòu)件中拱應(yīng)力結(jié)果填入表4中。

圖4　中拱應(yīng)力云圖

表4　3種方法計算中拱彎曲應(yīng)力結(jié)果

根據(jù)表4的計算結(jié)果，數(shù)值仿真值介于使用平

均減薄值和最大減薄值計算結(jié)果之間，符合客觀事實，且使用平均減薄值計算的中拱彎曲應(yīng)力更接近數(shù)值仿真結(jié)果，對于兩者之間的誤差在于使用平均減薄值計算的應(yīng)力值沒有考慮局部腐蝕所帶來的應(yīng)力集中。對于含點腐蝕缺陷的船外板，用總縱彎曲應(yīng)力第一次近似計算結(jié)果乘以應(yīng)力集中系數(shù)有望提高計算結(jié)果的精度。根據(jù)張岳林等的計算結(jié)果[5]，當(dāng)腐蝕厚度小于板厚的10%時，應(yīng)力集中系數(shù)約為2，10%～30%時應(yīng)力集中系數(shù)約為2.5，超過30%時應(yīng)力集中系數(shù)可按3計算。

4結(jié)論

(1)對于老齡船體，考慮腐蝕、變形等因素影響后，船體中拱、中垂彎矩較新船有所減小，因此根據(jù)新船的剪力彎矩計算書計算老齡船體的受力是偏于安全的。

(2)在使用規(guī)范計算法計算總縱彎曲應(yīng)力的過程中，使用平均減薄數(shù)據(jù)比使用最大減薄數(shù)據(jù)計算的應(yīng)力值更接近仿真結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴仰山，沈進(jìn)威，宋競正. 極限強(qiáng)度校核中的幾個問題[J]. 中國造船，2007，48(1)：102-105.

[2]付森宗. 艦船結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度可靠性分析的一種新方法[J]. 中國造船，2011，52(2)：124-129.

[3]中國船級社. 鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范[M]. 北京：人民交通出版社，2012.

[4]朱錫，吳梵. 艦艇強(qiáng)度[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[5]張岳林,彭飛,牟金磊.單點腐蝕參數(shù)對船體板應(yīng)力集中影響研究[J].船舶工程,2015,37(3):66-69.

中圖分類號：U661.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：陳武(1989—)，男，助理工程師，從事艦船設(shè)計制造維修工程；張岳林(1990—)，男，助理工程師，從事艦船設(shè)計制造維修工程；蘇里陽(1991—)，男，助理工程師，從事電子信息工程。

收稿日期：2015-07-28