基于子模型細(xì)化分析的VLCC底邊艙上折角半檔肘板選型

潘盧毅， 林 莉

(中國船級社規(guī)范與技術(shù)中心， 上海 200135)

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基于子模型細(xì)化分析的VLCC底邊艙上折角半檔肘板選型

潘盧毅， 林 莉

(中國船級社規(guī)范與技術(shù)中心， 上海 200135)

超大型油船VLCC都應(yīng)滿足國際船級社協(xié)會IACS雙殼油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(CSR-OT)的相關(guān)要求，船體結(jié)構(gòu)中的高應(yīng)力區(qū)域都需按CSR規(guī)范要求進(jìn)行有限元細(xì)化分析。通過實際船舶審圖工作的經(jīng)歷，總結(jié)了使用子模型細(xì)化分析手段校核高應(yīng)力區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法，并使用該方法分析了位于某型VLCC 1/2強(qiáng)框架底邊艙上折角處的4種典型肘板形式，為此類無規(guī)范要求的構(gòu)件提供了校核方法。最終基于有限元分析FEA細(xì)化分析結(jié)果，提出了該處肘板結(jié)構(gòu)選型的優(yōu)化建議。

子模型細(xì)化分析； VLCC； 半檔肘板； 選型； CSR規(guī)范

0 引言

超大型原油船(VLCC)總長在333 m左右，總載重噸30×104t以上，是當(dāng)前世界油運(yùn)市場上的主力船型。目前國際船級社協(xié)會(IACS)下屬的各船級社均以共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(Common Structural Rules， CSR)作為VLCC審核入級的依據(jù)。CSR對貨艙區(qū)域的大部分高應(yīng)力部位都強(qiáng)制要求進(jìn)行有限元細(xì)化分析，但依然有一些部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計未被規(guī)范要求所涵蓋，比如底邊艙上折角1/2強(qiáng)框架處的節(jié)點形式。

為改善VLCC底邊艙上折角的應(yīng)力分布和疲勞壽命，通常會在位于1/2強(qiáng)框架處的底邊艙上折角設(shè)置上下小肘板，如圖1所示，但作者在審圖中按規(guī)范要求對其附近的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元細(xì)化分析時發(fā)現(xiàn)：小肘板本身的應(yīng)力很大，不能滿足細(xì)化衡準(zhǔn)，故引發(fā)對該部位半檔肘板本身安全性的思考。本文按照CSR規(guī)范中細(xì)化分析相關(guān)要求，使用子模型細(xì)化分析方法對該處肘板進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核，并對如何確定該肘板的尺寸和結(jié)構(gòu)選型提出了建議。

圖1 VLCC底邊艙上折角半檔肘板

1 半檔肘板的作用與常見型式

VLCC中部貨艙的強(qiáng)框架間距通常為5～6 m[1]，因此兩框架之間承受側(cè)向載荷的板與縱骨的跨度非常大。為保證兩檔強(qiáng)框架之間結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，通常會在VLCC的底邊艙內(nèi)殼上折角的1/2強(qiáng)框架處設(shè)置半檔肘板，以限制該處的結(jié)構(gòu)變形，減小應(yīng)力集中現(xiàn)象。通過設(shè)置半檔肘板，減小了板格長度，還有助于提高內(nèi)殼板格的抗屈曲能力。但在近幾年的VLCC船型中也出現(xiàn)了不設(shè)半檔肘板的設(shè)計案例，并在多家船級社獲得審核認(rèn)可。

在審圖工作中通常接觸到多型VLCC的半檔肘板形式，分別有如圖2所示的A型、B型、C型3種。D型為構(gòu)想形式。

圖2 4種形式半檔肘板

A型：全肘板，在折角上下均設(shè)圓弧形肘板，肘板尺寸較小且沿肘板自由邊無折邊板。

B型：半肘板，僅在折角下方設(shè)直形肘板，肘板尺寸較大且沿肘板自由邊設(shè)有折邊板。

C型：無肘板，上下均不設(shè)肘板。

在分析過程中，結(jié)合A型和B型半檔肘板形式的優(yōu)點提出了D型構(gòu)想：強(qiáng)化全肘板，上下均設(shè)肘板及折邊板，且肘板尺寸較大。

對于上述1/2強(qiáng)框架處的底邊艙上折角節(jié)點形式，CSR規(guī)范中沒有描述性規(guī)范要求，但要求強(qiáng)制細(xì)化分析或細(xì)化篩選分析[2]，如果在有限元艙段模型評估(粗網(wǎng)格評估)時，該部位未超出衡準(zhǔn)，則認(rèn)為是可行設(shè)計。在粗網(wǎng)格評估時，有限元網(wǎng)格尺寸通常約為800 mm，而半檔肘板的幾何尺寸不超過500 mm，僅能用梁單元進(jìn)行模擬。粗網(wǎng)格模型的網(wǎng)格尺寸和單元形式不能精確描述半檔肘板的幾何形狀，無法反映半檔肘板本身的實際應(yīng)力分布。

對于以上4型底邊艙上折角節(jié)點形式，內(nèi)殼板處的屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度均能滿足CSR規(guī)范粗網(wǎng)格評估衡準(zhǔn)要求。然而在多型VLCC實船審核的細(xì)化分析中卻有了新的發(fā)現(xiàn)，即部分區(qū)域存在安全隱患。

(1) A型節(jié)點形式中半檔肘板的尺寸無法滿足CSR規(guī)范的細(xì)化衡準(zhǔn)要求；

(2) 當(dāng)采用C型無肘板形式時，底邊艙內(nèi)殼上折角的1/2檔強(qiáng)框架處不滿足CSR規(guī)范的細(xì)化衡準(zhǔn)要求。

為此，對以上4型半檔肘板逐一進(jìn)行細(xì)化分析，通過相互比較，從中選擇最優(yōu)的節(jié)點設(shè)計形式。

2 半檔肘板細(xì)化模型的建立

CSR規(guī)范中的有限元細(xì)化分析，是指在對三艙段有限元模型完成粗網(wǎng)格評估后，采用更精細(xì)的網(wǎng)格尺寸(50 mm×50 mm)對關(guān)心區(qū)域進(jìn)行分析。細(xì)化分析的計算工況和載荷模式均與粗網(wǎng)格評估一致。使用中國船級社自主研發(fā)的CSR直接計算校核工具CCS-Tools，對半檔肘板及相鄰的底邊艙內(nèi)殼上折角區(qū)域進(jìn)行細(xì)化分析[3]和評估。

通過細(xì)化網(wǎng)格精確模擬上述4型半檔肘板(包括扇形孔)，并分別將它們設(shè)置在同一型VLCC的艙段有限元模型中，各肘板設(shè)置為同一板厚，材料為13AH32鋼。同時，為了考察半檔肘板對1/2框架處底邊艙內(nèi)殼上折角的強(qiáng)度貢獻(xiàn)，還進(jìn)行了肘板支撐處底邊艙內(nèi)殼上折角的細(xì)化分析。按CSR規(guī)范要求，細(xì)化區(qū)域不少于10個網(wǎng)格范圍。

細(xì)化分析所選取位于VLCC中部貨艙的制蕩艙壁和端部艙壁之間，即船體梁變形和局部變形最大處的半檔肘板，以校核最危險位置處肘板及上折角的應(yīng)力。圖3為細(xì)化模型。

圖3 細(xì)化模型

完成細(xì)化模型后，在確保計算精度的前提下，為減小計算成本，本文采用子模型法，即從艙段有限元模型(主模型)中截取出包含細(xì)化區(qū)域的局部模型進(jìn)行細(xì)化分析。子模型的切割邊界應(yīng)足夠遠(yuǎn)離細(xì)化區(qū)域并設(shè)置在強(qiáng)構(gòu)件處，以避免邊界約束對分析區(qū)域的影響。通過CCS-Tools，將主模型中的外載荷映射到局部模型上，并把原有模型切割邊界上的位移作為位移強(qiáng)制約束施加到局部模型的邊界上[4]，重新進(jìn)行分析求解。本文以端部橫艙壁和油密縱艙壁為邊界，截取橫向1/3貨艙段作為細(xì)化分析對象，如圖4所示。

圖4 1/3貨艙段有限元模型

表1 AH32鋼的細(xì)化網(wǎng)格分析最大許用膜應(yīng)力

3 細(xì)化評估分析與比較

對于半檔肘板的細(xì)化評估應(yīng)關(guān)注以下2點：

(1) 內(nèi)殼板在半檔強(qiáng)框架處的強(qiáng)度安全，以確定半檔肘板的強(qiáng)度貢獻(xiàn)和設(shè)置的必要性；

(2) 半檔肘板本身的強(qiáng)度安全，以確定最優(yōu)的肘板形式。

3.1 1/2強(qiáng)框架處底邊艙內(nèi)殼板的強(qiáng)度

4型半檔肘板形式下，1/2框架處底邊艙內(nèi)殼上折角處的應(yīng)力結(jié)果匯總?cè)绫?所示，該處的應(yīng)力衡準(zhǔn)按“鄰近焊縫的單元”選取。A型全肘板和D型強(qiáng)化全肘板，折角處應(yīng)力水平都滿足細(xì)化衡準(zhǔn)要求。B型半肘板在未設(shè)肘板支撐的折角上方部分超出應(yīng)力衡準(zhǔn)，C型無肘板則在全部折角范圍內(nèi)超出應(yīng)力衡準(zhǔn)。

表2 1/2強(qiáng)框架處底邊艙內(nèi)殼上折角板的應(yīng)力水平匯總

通過對比發(fā)現(xiàn)，半檔肘板對于1/2強(qiáng)框架處底邊艙上折角的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有貢獻(xiàn)，且肘板越強(qiáng)貢獻(xiàn)越顯著。當(dāng)采用D型強(qiáng)化全肘板時，相比于C型無肘板，最多可使內(nèi)殼板的應(yīng)力極值下降37.4%。因此，半檔肘板的設(shè)置是非常有必要的。

此外，對于僅設(shè)下半部肘板的B型半肘板，雖然上折角處仍然有部分應(yīng)力超出衡準(zhǔn)，但應(yīng)力極值和應(yīng)力集中范圍顯著減少(見圖5)，在工程誤差范圍內(nèi)也可作為一種可行的設(shè)計。

圖5 B型和C型肘板上折角處應(yīng)力超衡準(zhǔn)區(qū)域比較

3.2 半檔肘板的強(qiáng)度

在明確半檔肘板對底邊艙內(nèi)殼上折角板的結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)后，進(jìn)一步考察肘板本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全。A型、B型和C型3種半檔肘板在S與S+D工況下，本身的應(yīng)力極值分布如表3所示，高應(yīng)力集中出現(xiàn)的部位及其應(yīng)力分布如圖6所示。

3.3 半檔肘板的選型與優(yōu)化

由表3可知，A型半檔肘板的上肘板弧形趾端和下肘板弧形自由邊都出現(xiàn)了嚴(yán)重應(yīng)力集中，在實船運(yùn)營中存在著較大安全隱患，肘板一旦破壞，裂紋會進(jìn)一步延伸到周邊結(jié)構(gòu)形成更大損傷。

為保證半檔肘板本身的結(jié)構(gòu)安全，通常有增加板厚與加大結(jié)構(gòu)尺寸2種方法。根據(jù)A型肘板現(xiàn)有的應(yīng)力集中情況，至少需將現(xiàn)有板厚增加86%，即加厚至22 mm(AH36鋼)，而實際工程應(yīng)用中通常不會設(shè)置如此厚的肘板。根據(jù)實際審圖經(jīng)驗，在局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)時僅加大單一結(jié)構(gòu)的板厚，應(yīng)力極值并不會隨著板厚增加而線性下降，而是會出現(xiàn)邊界遞減效應(yīng)。因此，加大肘板尺寸的方式較為可行。

在保障檢驗通道足夠通行空間的前提下，D型強(qiáng)化全肘板是全肘板形式所允許的最大尺寸。在同樣的肘板厚度下：上肘板弧形趾端加大，可以降低弧形自由邊的應(yīng)力極值51.3%，但依然超出衡準(zhǔn)21.8%；下肘板取消弧形，自由邊設(shè)置折邊板，可以消除該處應(yīng)力集中。然而隨著上肘板加大，根部約束過多，導(dǎo)致在下肘板與內(nèi)殼上折角相交處形成了新的應(yīng)力集中，超出衡準(zhǔn)26.2%?？梢?，一味加大結(jié)構(gòu)尺寸，并不能解決半檔肘板本身的強(qiáng)度安全問題。

B型半肘板，僅在下肘板與內(nèi)殼上折角相交的扇形孔處有應(yīng)力集中，由于此處可以自由變形，其應(yīng)力極值比D型強(qiáng)化全肘板大幅降低，能夠滿足細(xì)化衡準(zhǔn)要求。

表3 3型肘板的應(yīng)力分布匯總

圖6 肘板本身應(yīng)力分布情況

4 結(jié)論

通過對某型VLCC的半檔處底邊艙上折角采用不同肘板形式下的細(xì)化分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 半檔肘板對于1/2強(qiáng)框架處底邊艙內(nèi)殼上折角處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度確有顯著貢獻(xiàn)。在不設(shè)半檔肘板時，1/2強(qiáng)框架處內(nèi)殼上折角處不能滿足規(guī)范的細(xì)化衡準(zhǔn)要求。

(2) 若設(shè)置半檔肘板，傳統(tǒng)的小肘板設(shè)計依然不能保證其本身的強(qiáng)度安全，一旦被破壞可能進(jìn)一步撕裂周邊結(jié)構(gòu)，而過大的上肘板容易形成硬點。

(3) 單設(shè)下肘板的半檔肘板形式，能有效改善1/2強(qiáng)框架處底邊艙內(nèi)殼上折角處的應(yīng)力極值和高應(yīng)力區(qū)域，其本身的強(qiáng)度能滿足規(guī)范要求，是一種較優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式。

[1] 林莉，王剛，蔡承德. 超大型油船VLCC的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度[J]. 船舶，2003,1：30-34.

[2] CCS. 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范(2015)[M].北京：人民交通出版社，2015.

[3] 詹志鵠，吳曉源，崔維成，等. 船體折角型節(jié)點有限元細(xì)化分析的程序化方法[J].中國造船，2008,49(1):47-53.

[4] 周宇. 基于子模型的鐵路車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度精細(xì)計算[D].大連：大連交通大學(xué)，2008.

Type Selection of Upper Hopper Knuckle Bracket at 1/2 Web Frame of VLCC Based on Sub-model Fine Mesh Analysis

PAN Luyi， LIN Li

(CCS Rules & Technology Center, Shanghai 200135, China)

VLCC must meet the requirements of the IACS double hull oil tanker common structural rules (CSR-OT), hull structure in high stress regions are required by the CSR to make the fine mesh analysis. According to the actual plan approval experience, the method of checking the structure strength in high stress region with sub-model fine mesh analysis is summarized, and 4 typical types of upper hopper knuckle brackets at 1/2 web frame of VLCC are analyzed. An approval method for similar structures without requirements of the Rules is provided. Based on the results of fine mesh analysis, the optimization type selection of this bracket is put forward.

sub-model fine mesh analysis；VLCC；1/2 web frame bracket；type selection； CSR

潘盧毅(1986-)，男，工程師，中國船級社規(guī)范與技術(shù)中心驗船師

1000-3878(2017)02-0016-07

U661

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