基于DNV規(guī)范的船體結構開孔局部強度校核

李云龍

摘 要：本文采用有限元分析和局部應力集中系數(shù)分析的方法，進行船體結構開孔局部強度校核，并引入實例進行分析說明。通過此方法可以有效解決大部分遇到的開孔局部強度校核問題，為開孔設計提供依據(jù)。

關鍵詞：船體開孔；強度校核；應力集中系數(shù)

中圖分類號：U661.43 文獻標識碼：A

Hull Structure Penetration Strength Check

LI Yunlong

（ COSCO （Guangdong） Shipyard Co.， Ltd. Dongguan 523146 ）

Abstract： This thesis introduces different types of piping and cables penetration at platforms or bulkheads， as required by DNV， also show a way by finite element analysis and local stress concentration factor analysis to check the structure strength around these penetrations. Examples are adopted for analysis and explanation to solve effectively most penetration strength check and provide the basis for penetration design.

Key words： Penetration at hull structure； strength check； stress concentration factors

1 前言

從2011年開始，廣東中遠船務相繼承接了tender barge和ocean 400等鉆井平臺項目。

在tender barge和ocean 400的設計和建造過程中，設計人員經(jīng)常遇到各種形式的的開孔，如開在T型梁上、艙壁上、甲板上，還有開在克令吊筒體和基座下方結構上等，而且形狀也都不一樣。下面介紹幾種常用的方法，對開孔強度校核和設計提供理論依據(jù)。

2 開孔局部強度校核方法

開孔局部強度校核方法包括：（1）根據(jù)ABS規(guī)范要求校核；（2）應力集中系數(shù)校核；（3）有限元建模直接進行強度校核。

因采用有限元分析建模進行開孔強度計算比較費時費力，而目前大部分海工項目設計公司都會提供全船初步有限元分析，因此基于方法（1）和（2）可以基本解決全船各類型開孔局部強度校核問題。

2.1 根據(jù)ABS規(guī)范要求校核T型梁開孔強度

圖1為典型的T型材開孔圖，T型材端部有艙壁、扶強材和肘板支撐。根據(jù)ABS驗船師檢驗文件，在肘板往前200 mm（或者1/8D，取大值）到靠端部50 mm區(qū)域是高應力區(qū)域（見圖中陰影區(qū)域），不允許開孔，如果一定要開孔則必須進行強度校核并得到ABS允許；在非陰影區(qū)域通常應力值較小，在這些地方的開孔高度不能超過T型材腹板高度的1/4，兩個開孔之間的距離和開孔的長度也有一定的要求，如圖1所示。

圖2為沒有壁板和肘板支撐的情況。在長度為D的T型材中，端部兩邊1/8D的范圍被認為是高應力區(qū)（見陰影部分），在這個范圍內是不允許開孔的，設計時管子和電氣開孔應該設法避開這些區(qū)域，如果沒有辦法避開則必須進行強度校核并得到ABS的認可。

2.2 基于DNV規(guī)范要求的艙壁板和甲板開孔強度校核

如圖3所示，在典型的腰圓開孔的示例中，沿水平方向參數(shù)為r/b（半徑/腰圓的長度），沿垂向方向參數(shù)為b/a（腰圓的長度/寬度）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，沿著腰圓短邊方向，當長邊/短邊比變小的時候，沿短邊的剪切力也相應變小。另外，應力集中系數(shù)SCF隨著r/b的變大而變小。這說明當腰圓大小一定的情況下，圓角越大，應力集中系數(shù)越??；當r/b=0.5時應力集中系數(shù)為3，這時腰圓其實是類似于圓形的一個形狀。

圖4是反映圓形開孔的應力集中系數(shù)：應力集中系數(shù)隨著x/r的變大而變小，也就是在被開孔平臺或者艙壁中，離開孔中心越遠的地方應力越小。因此，在開孔情況下，應重點關注孔邊的應力集中系數(shù)，圓孔孔邊沿任何方向的剪切力的應力集中系數(shù)均為3。

圖6所示為該縱艙壁應力值最大的組合應力云圖，在該區(qū)域應力值為25 MPa。根據(jù)圖1所示的應力集中系數(shù)曲線圖，可插值得到應力集中系數(shù)為3.2。 因此得到開腰圓孔的應力集中系數(shù)為 25 MPa x 3.2=80 MPa， 小于284 MPa的許用值。

3 結束語

根據(jù)ABS規(guī)范校核和參考DNV-RP-C203的應力集中系數(shù)插值計算得出的數(shù)據(jù)，與有限元分析3D軟件建模直接計算得出的數(shù)據(jù)，結果很接近。因此用ABS規(guī)范校核和用DNV的應力集中系數(shù)進行開孔局部強度校核是一種很實用且行之有效的方法，此方法已經(jīng)成功運用于我司tender barge 和semi的兩個項目上并得到了現(xiàn)場驗證。

參考文獻

[1] DNV船級社. DNV-RP-C203 Fatigue Design of Offshore Steel Structures.

[2] GUSTOMSC Publish MU_2013_17053 Von Mises Stress Plots.

[3] GUSTOMSC Publish MU_2013_27965 Maximum Principal Stress Amplitude

Global Model.