空氣管及通風(fēng)管的應(yīng)力分析

林鋆各

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

船舶在風(fēng)浪中航行時(shí)，波浪作用于船體并超越干舷，對(duì)首部的甲板裝置與設(shè)備產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致其損壞。為了抵御上浪力的破壞作用，國際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）統(tǒng)一要求 UR S27（rev.6）中，對(duì)位于距首部四分之一區(qū)域內(nèi)的空氣管、通風(fēng)管及其關(guān)閉裝置作出強(qiáng)度要求，適用于建造合同日期為2004年1 月 1 日及以后的船舶［1］。

通常，僅通過增加空氣管或者通風(fēng)管的壁厚不能提供足夠的屈服強(qiáng)度，因此需要安裝支撐肘板。UR S27規(guī)定了標(biāo)高760 mm的空氣管、標(biāo)高900 mm的通風(fēng)管的肘板高度。然而，在某些情況下，為滿足破艙穩(wěn)性要求，空氣管、通風(fēng)管的高度經(jīng)常大于標(biāo)準(zhǔn)值，此時(shí)需對(duì)支撐肘板處彎曲應(yīng)力進(jìn)行校核，從而設(shè)置滿足強(qiáng)度要求的肘板尺寸。本文以高度1000 mm的DN350 B型菌形通風(fēng)筒、DN250 CA型鵝頸式通風(fēng)筒、DN200 ES型空氣管頭及其下方管段為例，通過計(jì)算支撐肘板頂部和趾部處的彎曲應(yīng)力，提出一種滿足UR S27（rev.6）強(qiáng)度要求的加強(qiáng)方法，以提高該區(qū)域內(nèi)通風(fēng)透氣裝置的可靠性。

1 統(tǒng)一要求內(nèi)容介紹

UR S27是對(duì)下列位于距首部四分之一區(qū)域內(nèi)的部件的強(qiáng)度要求，以抵抗上浪力的破壞作用：空氣管、通風(fēng)管及其關(guān)閉裝置。

1）適用于建造合同日期為2004年1月1日和以后的船舶；

2）所有船長80 m及以上的船舶，距夏季載重線以上高度小于0.1L或22 m，取其小者，露天甲板上的上述部件，應(yīng)滿足UR S27的相關(guān)要求。

UR S27不適用于液貨船的貨油艙透氣系統(tǒng)與惰性氣體系統(tǒng)。

1.1 作用載荷

空氣管、通風(fēng)管及其關(guān)閉裝置的水平壓強(qiáng)p可按式（1）計(jì)算［1］：

式中：ρ——海水密度，取1.025 t/m3；

v——海水越過船首甲板的速度

（其中，d=夏季載重線到露天甲板的距離；d1=

0.1L或22 m取小者。）

Cd——外形系數(shù)（對(duì)管子取0.5，對(duì)空氣管頭或通風(fēng)管頭一般取1.3，對(duì)與其軸線垂直的圓柱形空氣管頭或通風(fēng)管頭取0.8）；Cs——砰擊系數(shù)，取3.2；

Cp——保護(hù)系數(shù)，緊靠擋浪板或首樓背后的空氣管頭和通風(fēng)管頭取0.7，緊靠舷墻背

后及其他位置取1.0

作用在管子及其關(guān)閉裝置上水平方向的力：

式中：S——每一部件的最大投影面積

1.2 強(qiáng)度要求

空氣管和通風(fēng)管應(yīng)計(jì)算關(guān)鍵位置的彎矩與彎曲應(yīng)力：即貫穿點(diǎn)、焊接或法蘭連接點(diǎn)、支撐肘板趾端。凈截面的彎曲應(yīng)力應(yīng)不超過0.8σy，σy是規(guī)定的屈服應(yīng)力或室溫下0.2%的規(guī)定非比例伸長應(yīng)力。肘板的凈厚度應(yīng)扣除因防腐保護(hù)而附加的2.0 mm腐蝕余量。

對(duì)用頭部關(guān)閉的標(biāo)高760 mm的空氣管、標(biāo)高900 mm的通風(fēng)管，UR S27規(guī)定了肘板高度。如需要肘板時(shí)，應(yīng)安裝3個(gè)及以上徑向肘板。每塊肘板總厚度應(yīng)為8 mm或以上，最小長度為100 mm。對(duì)其他高度的空氣管、通風(fēng)管，應(yīng)根據(jù)各船級(jí)社要求，設(shè)置肘板或替代的支撐措施，同時(shí)，應(yīng)根據(jù)肘板高度確定適當(dāng)?shù)陌搴衽c長度。 載荷應(yīng)按式（1）、（2）、（3）計(jì)算。

2 空氣管及通風(fēng)管的應(yīng)力分析

2.1 設(shè)計(jì)條件

對(duì)位于距首部四分之一區(qū)域內(nèi)的空氣管/通風(fēng)管，安裝4個(gè)徑向支撐肘板，見圖1。

圖1 首部空氣管及通風(fēng)筒支撐肘板示意圖

2.2 空氣管頭/通風(fēng)筒載荷計(jì)算

設(shè)作用于空氣管頭/通風(fēng)筒的水平壓強(qiáng)為p1，由式（1）、（2）計(jì)算可得。

設(shè)空氣管頭水平方向的最大投影面積為S1，由式 （3）計(jì)算可得作用于空氣管頭/通風(fēng)筒的水平力F1。

則作用在支撐肘板頂部的彎矩見式（4）：

2.3 空氣管/通風(fēng)管載荷計(jì)算

設(shè)作用于空氣管/通風(fēng)管的水平壓強(qiáng)為p2，由式（1）計(jì)算可得。

膝關(guān)節(jié)腔注射氨甲環(huán)酸對(duì)單純半月板損傷患者關(guān)節(jié)腫脹、疼痛、關(guān)節(jié)功能恢復(fù)的影響 …………………… 李明晉等（8）：1098

1）設(shè)至支撐肘板頂部，水平方向的最大投影面積為S21，由式（3）計(jì)算可得作用于空氣管/通風(fēng)管的水平力F21。

則作用在支撐肘板頂部的彎矩見式（6）：

2）設(shè)至支撐肘板趾部，水平方向的最大投影面積為S22，由式（3）計(jì)算可得作用于空氣管/通風(fēng)管的水平力F22。

則作用在支撐肘板趾部的彎矩見式（7）：

作用在支撐肘板趾部的彎矩見式（5）：

2.4 彎曲應(yīng)力計(jì)算

1）作用在支撐肘板頂部的總彎矩見式（8）：

抗彎截面模數(shù)［2］見式（9）：

彎曲應(yīng)力見式（10）：

2）作用在支撐肘板趾部的總彎矩見式（11）：

抗彎截面模數(shù)見式（12）：

彎曲應(yīng)力見式（13）：

2.5 應(yīng)力分析

Q235 鋼最小屈服應(yīng)力 σy=235 MPa，故［σ］=0.8σy=188 MPa。

以DN350的B型菌形通風(fēng)筒、DN250的CA型鵝頸式通風(fēng)筒、DN200ES型空氣管頭及其下方管段為例，取空氣管頭/通風(fēng)筒下方管段高度H2=1000 mm，支撐肘板厚度（單邊減去2 mm腐蝕余量后的凈厚度）t2=6 mm，進(jìn)行計(jì)算。

2.5.1 支撐肘板頂部的彎曲應(yīng)力分析

從式（9）中可以看出，對(duì)于同一個(gè)空氣管/通風(fēng)管，W1為定值。

將式（4）、式（6）代入式（8），作出 M1的圖線見圖2。從圖2可看出，M1隨著H3的增大而減小，為負(fù)線性關(guān)系。

而從式（10）中可得出，σ1與M1為正比例關(guān)系。

因此，若需減小σ1，則需增大 H3；即，支撐肘板頂部處彎曲應(yīng)力過大時(shí)，需加高肘板。

根據(jù)不同的肘板高度，計(jì)算出支撐肘板頂部處彎曲應(yīng)力值σ1，見表1。

由表1可看出，支撐肘板頂部處彎曲應(yīng)力值σ1隨著支撐肘板高度的增加而減小。

對(duì)DN350的B型菌形通風(fēng)筒，取H3=300 mm時(shí)，σ1=75.0 MPa＜［σ］，滿足要求。

對(duì)DN250的CA型鵝頸式通風(fēng)筒，取H3=300 mm時(shí)，σ1=213.1MPa＞［σ］，故需加高肘板；取H3=400mm，σ1=180.5 MPa＜［σ］，滿足要求。

對(duì)DN200的ES型空氣管頭，取H3=300 mm時(shí)，σ1=205.1MPa＞［σ］，故需加高肘板；取H3=400mm，σ1=179.2 MPa＜［σ］，滿足要求。

2.5.2 支撐肘板趾部的彎曲應(yīng)力分析

由式（12），作出W2的圖線見圖3。從圖3可看出，當(dāng)L≥100時(shí)，W2隨著L的增大而增大，為正相關(guān)關(guān)系；

圖2 M1-H3圖線

表1 不同高度肘板頂部處彎曲應(yīng)力σ1 MPa

圖3 W2-L圖線

將式（5）、式（7）代入式（11），可以得出，對(duì)于同一個(gè)空氣管/通風(fēng)管，M2為定值。

而從式（13）中可得出，σ2與W2為反比例關(guān)系。

因此，若需減小σ2，則需增大L，即支撐肘板趾部處彎曲應(yīng)力過大時(shí)，需加長肘板。

根據(jù)不同的肘板長度，計(jì)算出支撐肘板趾部處彎曲應(yīng)力值σ2，見表2。

表2 不同長度肘板趾部處彎曲應(yīng)力σ2 MPa

由表2可看出，支撐肘板趾部處彎曲應(yīng)力值σ2隨著支撐肘板長度的增加而減小。

對(duì)DN350的B型菌形通風(fēng)筒，取L=100 mm時(shí)，σ2=116.7 MPa＜［σ］，滿足要求。

對(duì)DN250的CA型鵝頸式通風(fēng)筒，取L=100 mm時(shí)，σ2=403.7 MPa＞［σ］，故需加長肘板；取 L=350 mm，σ2=171.2 MPa＜［σ］，滿足要求。

對(duì)DN200的ES型空氣管頭，取L=100 mm時(shí)，σ2=305.0 MPa＞［σ］，故需加長肘板；取 L=250 mm，σ2=168.1 MPa＜［σ］，滿足要求。

2.6 小結(jié)

位于距首部四分之一區(qū)域內(nèi)的空氣管與通風(fēng)管，在需要配置肘板時(shí)，可以選取肘板高度H3=300 mm、長度L=100 mm作為初始值，分別對(duì)支撐肘板頂部和趾部處的彎曲應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。若支撐肘板頂部處彎曲應(yīng)力過大時(shí)，則加高肘板；支撐肘板趾部處彎曲應(yīng)力過大時(shí)，則加長肘板，使得彎曲應(yīng)力不超過0.8σy，以滿足 UR S27（rev.6）的強(qiáng)度要求。

3 結(jié)語

本文以高度1000 mm的DN350 B型菌形通風(fēng)筒、DN250 CA型鵝頸式通風(fēng)筒、DN200 ES型空氣管頭及其下方管段為例，分別從空氣管頭/通風(fēng)筒載荷、空氣管/通風(fēng)管載荷兩方面闡述計(jì)算過程；并通過計(jì)算不同高度和長度時(shí)，支撐肘板頂部和趾部處的彎曲應(yīng)力，掌握了應(yīng)力與肘板外形尺寸間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而提出針對(duì)空氣管與通風(fēng)管的有效加強(qiáng)方法，滿足UR S27（rev.6）對(duì)位于距首部四分之一區(qū)域內(nèi)的空氣管、通風(fēng)管及其關(guān)閉裝置的強(qiáng)度要求，這對(duì)該區(qū)域內(nèi)肘板外形尺寸的設(shè)計(jì)提供了參考。今后可以通過專業(yè)軟件，進(jìn)一步研究支撐肘板的安裝位置與應(yīng)力的關(guān)系，以更好地提高該區(qū)域內(nèi)通風(fēng)透氣裝置的可靠性。

［1］IACS.UR S27.Strength Requirements for Fore Deck Fittings and Equipment：UR S27［S］.

［2］孫國鈞，趙社戌.材料力學(xué)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2006.