超大型集裝箱船縱骨貫穿孔的形狀優(yōu)化

周廣喜，謝大建，萬冬冬

(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

超大型集裝箱船縱骨貫穿孔的形狀優(yōu)化

周廣喜，謝大建，萬冬冬

(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

基于在外板縱骨與橫向肋板連接處的貫穿孔是疲勞裂紋的多發(fā)地帶，以某超大型集裝箱船為例，介紹了船體外板縱骨貫穿孔的受力狀態(tài)，并基于譜分析方法,對該型船舭部外板縱骨貫穿孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度分析。通過比較不同結(jié)構(gòu)形式貫穿孔的疲勞壽命和不同結(jié)構(gòu)形式縱骨貫穿孔的優(yōu)缺點，總結(jié)并提出了超大型集裝箱船縱骨貫穿孔結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計要點。

譜分析；疲勞裂紋；超大型集裝箱船；縱骨貫穿孔

0 引言

采用縱骨架式的大型船舶在橫向肋板上需設(shè)置大量的縱骨貫穿孔，而這些縱骨貫穿孔的附近結(jié)構(gòu)經(jīng)常有損傷的事例，因此如何防止外板上縱骨貫穿孔附近結(jié)構(gòu)的疲勞破壞已經(jīng)成為一個非常重要的問題[1]。常規(guī)的校核方法是采用規(guī)范計算法，如CSR/HCSR規(guī)范、LR規(guī)范、NK規(guī)范、DNV規(guī)范等都對縱骨端部連接的疲勞問題有所要求，按照既定的公式和應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行計算，但各規(guī)范中很少要求對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

本文從力學(xué)角度出發(fā)論述了船體外板縱骨貫穿孔的受力特性，簡述了譜分析方法的基本原理，并采用LR WAVELOAD軟件進(jìn)行水動力分析，MSC. NASTRAN軟件進(jìn)行求解，LR SHIPRIGHT 軟件進(jìn)行譜疲勞分析計算。文中以某超大型集裝箱船為例，對該型船的舭部外板縱骨貫穿孔的疲勞問題進(jìn)行了分析，比較了不同結(jié)構(gòu)形式貫穿孔的疲勞強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點，總結(jié)并提出了縱骨貫穿孔結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計要點。

1 外板縱骨貫穿孔及周邊結(jié)構(gòu)受力分析

對于縱骨和橫向肋板之間，通常為了制造方便和縱骨的強(qiáng)度連續(xù)性，一般設(shè)計為縱骨貫穿于橫向肋板，需要在橫向肋板上開設(shè)貫穿孔。

縱骨和橫向肋板之間的連接構(gòu)件常分布于縱骨貫穿孔附近，一般認(rèn)為有：和縱骨相連的橫向肋板的腹板、連接縱骨腹板與橫向肋板的補(bǔ)板；連接縱骨面板與橫向肋板之間的扶強(qiáng)材。

縱骨貫穿孔周邊結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋位置如圖1所示。從圖中可知，若將縱骨貫穿孔的損傷形式分為扶強(qiáng)材根部損傷及貫穿孔周邊橫向肋板裂紋，由文獻(xiàn)[2]可知，75%的損傷數(shù)出現(xiàn)在G～I(xiàn)位置處， 25%的損傷數(shù)出現(xiàn)在A～F位置處。損傷首先從扶強(qiáng)材根部開始，扶強(qiáng)材損壞后貫穿孔周邊應(yīng)力增大，在這部分發(fā)生裂紋。

現(xiàn)分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的力學(xué)原因。作用于外板的水壓傳遞至縱骨，縱骨上的一部分力通過貫穿孔直接傳遞到橫向肋板，剩下的通過縱骨面板扶強(qiáng)材傳遞到橫向肋板上，因此扶強(qiáng)材承受了拉力或壓力。

橫向肋板受圖2所示剪力τ時發(fā)生剪切變形，其中左圖扶強(qiáng)材受壓，右圖扶強(qiáng)材受拉，如不設(shè)置扶強(qiáng)材，則橫向肋板與縱骨連接處不會產(chǎn)生剪切變形。因此，扶強(qiáng)材起到了阻礙變形的作用，也將產(chǎn)生拉力或壓力。

無論哪種情形都是扶強(qiáng)材單側(cè)被比較剛性的橫向肋板所支持，扶強(qiáng)材根部承受拉伸或壓縮，其應(yīng)力分布偏于橫向肋板側(cè)，產(chǎn)生應(yīng)力集中。另外，扶強(qiáng)材只是單側(cè)在橫向肋板處支持，根部產(chǎn)生偏心彎矩，由此產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力與上述的應(yīng)力集中疊加，導(dǎo)致扶強(qiáng)材在橫向肋板側(cè)產(chǎn)生高應(yīng)力。

該應(yīng)力受船舶航行中的裝載狀態(tài)的變化以及波浪的影響發(fā)生比較大的變化，所以扶強(qiáng)材根部因承受循環(huán)作用且振幅較大的變動應(yīng)力而極有可能導(dǎo)致疲勞破壞。

由上述推定可知，扶強(qiáng)材根部的損傷會導(dǎo)致貫穿孔周邊產(chǎn)生裂紋。對于雙層底而言，考慮外底縱骨與內(nèi)底縱骨的對接，讓外底的載荷更有效地傳遞至橫向肋板和內(nèi)底，設(shè)置垂向扶強(qiáng)材是很必要的。但對于超大型集裝箱船的舭部而言，縱骨的載荷基本都傳遞至橫向肋板，扶強(qiáng)材與縱骨的連接顯得不是十分必要。

所以，為了避免扶強(qiáng)材與縱骨連接時在扶強(qiáng)材根部產(chǎn)生疲勞破壞，可以考慮扶強(qiáng)材不與縱骨相連，縱骨上的載荷直接通過貫穿孔傳遞至橫向肋板，這種情況下對貫穿孔的要求較高，因此，貫穿孔補(bǔ)板的設(shè)計是必要的。

2 譜分析方法簡述

譜分析方法的理論基礎(chǔ)是隨機(jī)過程理論中的線性系統(tǒng)變換，作用在船體上的波浪過程Gηη(ωe) 是系統(tǒng)的輸入，結(jié)構(gòu)內(nèi)由于波浪作用引起的交變應(yīng)力GXX(ωe) 則是系統(tǒng)的響應(yīng)。船舶結(jié)構(gòu)線性動力系統(tǒng)示意總圖如圖3所示。

用公式可表示為：

GXX(ωe)=∣Hσ(ωe)∣2Gηη(ωe)

(1)

式中：H(ωe)為遭遇頻率為ωe的單位波幅下的應(yīng)力響應(yīng)值，稱為傳遞函數(shù)或頻率響應(yīng)函數(shù)。

考慮波浪的擴(kuò)散性，記H(ωe，θ)為與船舶航向之間夾角為θ的波浪所對應(yīng)的傳遞函數(shù)，那么，考慮所有方向波浪的貢獻(xiàn)，結(jié)構(gòu)交變應(yīng)力響應(yīng)的功率譜密度為[1]：

(2)

應(yīng)力響應(yīng)功率譜密度的0次矩和2次矩分別為m0和m2，計算公式如下：

Gηη(ωe)dβdωe

其中，n=0，2。

(3)

交變應(yīng)力的平均跨零率v，即單位時間內(nèi)以正斜率跨越零均值的平均次數(shù)，其表達(dá)式為：

(4)

按Miner線性累積損傷理論，結(jié)構(gòu)總的疲勞損傷度D是所有特定工況的損傷度之和，即

(5)

式中：Td為船舶的設(shè)計疲勞壽命；K,m為所用S-N曲線的兩個參數(shù)；Nload為所考慮的裝載狀態(tài)的總數(shù)；pn為第n個裝載狀態(tài)所占設(shè)計壽命的比例；nS為海況分布資料中的海況總數(shù)；nH為劃分的航向總數(shù)；pi為第i個海況出現(xiàn)的概率；pj為第j個航向出現(xiàn)的頻率；vijn為第n個裝載及海況i和航向j下，應(yīng)力交變響應(yīng)平均過零率。

(6)

波浪載荷計算參數(shù)見表1，全球航區(qū)波浪散布情況見表2。

表1 波浪載荷計算參數(shù)

3 初步設(shè)計的縱骨貫穿孔疲勞強(qiáng)度

有限元計算采用全船模型，細(xì)網(wǎng)格部分內(nèi)嵌在整體模型中。選取全球海況作為計算海況，采用譜分析方法對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度分析。全船模型如圖4所示。

表2 全球航區(qū)波浪散布情況[6]

初步設(shè)計了如圖5所示的縱骨貫穿孔，記為原始方案。該設(shè)計方案的優(yōu)點在于避免了貫穿孔補(bǔ)板與船體外板的曲面焊接，且有較小的焊接量。還有一個優(yōu)點是這種形式的貫穿孔裝配方便，縱骨能直接放在橫向肋板上焊接。縱骨貫穿孔結(jié)構(gòu)有限元模型如圖6所示。

計算衡準(zhǔn)取為30 a。原始方案譜分析計算后的疲勞壽命見表3。

表3 原始方案的疲勞壽命

分析表3可得出如下結(jié)論：

(1)縱骨貫穿孔的圓弧處(熱點1和熱點2)和貫穿孔補(bǔ)板與橫向肋板的連接處(熱點4和熱點5)比較安全，不易出現(xiàn)疲勞破壞。

(2)橫向肋板或貫穿孔補(bǔ)板與縱骨腹板連接處(熱點3和熱點7)比較容易出現(xiàn)疲勞問題。

(3)對于熱點3，貫穿孔變形時橫向肋板趾端剛性較大，導(dǎo)致縱骨腹板上存在應(yīng)力集中，評價結(jié)果不滿足要求。熱點3的疲勞壽命為28.2 a，滿足疲勞改善措施實施條件[5](計算疲勞壽命大于20 a)，可通過打磨或錘擊等疲勞改善措施使其滿足要求。但此類結(jié)構(gòu)在全船范圍內(nèi)相當(dāng)多，采取這種方法會使現(xiàn)場工人增加很多作業(yè)量，因此，此處最好通過改變結(jié)構(gòu)形式來滿足要求。

(4)橫向肋板與外板的連接(熱點6和熱點8)可能會導(dǎo)致疲勞破壞。對于熱點6，該位置是由于船底外板受外部水壓力作用，產(chǎn)生的載荷不能有效的傳遞，導(dǎo)致該位置存在應(yīng)力集中，評價結(jié)果不滿足要求；熱點8距離縱骨腹板較近，變形受縱骨的約束，因而應(yīng)力集中程度較小，滿足要求。

4 改進(jìn)后的縱骨貫穿孔疲勞強(qiáng)度

對于熱點6，如將縱骨貫穿孔補(bǔ)板直接焊接到船外板，那么外部水壓力能有效傳遞至橫向框架，則該位置避免了應(yīng)力集中，不會發(fā)生疲勞破壞。

對于熱點3，如適當(dāng)將橫向肋板趾端剛度降低，會有效降低疲勞應(yīng)力范圍，最終提高疲勞壽命，因此設(shè)計如圖7所示方案，記為加強(qiáng)方案1，有限元模型如圖8所示。

或?qū)⒖v骨貫穿孔設(shè)計成氣密形式，轉(zhuǎn)移熱點位置，新增熱點位置若不能滿足要求，則需要在橫向肋板的單面或雙面加肘板，以約束橫向肋板的變形。氣密形式的貫穿孔記為加強(qiáng)方案2，如圖9所示，有限元模型如圖10所示，加強(qiáng)方案計算結(jié)果見表4。

表4 加強(qiáng)方案的疲勞壽命

由表4可知，加強(qiáng)方案1和加強(qiáng)方案2的疲勞強(qiáng)度均能滿足全球海況30 a的衡準(zhǔn)。

加強(qiáng)方案1將橫向肋板和貫穿孔補(bǔ)板設(shè)計成圓弧趾端后，與縱骨相交處疲勞壽命由28.2 a變成36.5 a，有效改善了該位置的應(yīng)力集中狀況。

加強(qiáng)方案2避開了橫向肋板或貫穿孔補(bǔ)板與縱骨腹板連接處的熱點，對新增的縱骨面板上的3個熱點，其疲勞壽命均滿足要求，不需在縱骨面板上設(shè)置肘板。

加強(qiáng)方案2的疲勞強(qiáng)度略優(yōu)于加強(qiáng)方案1，但加強(qiáng)方案2的焊接量要大于加強(qiáng)方案1，因此，實際操作時會選擇成本更低、結(jié)構(gòu)更簡單的加強(qiáng)方案1進(jìn)行設(shè)計。

5 結(jié)語

(1)采用有限元法對超大型集裝箱船外板縱骨貫穿孔的疲勞計算是必要的。

(2)縱骨上的扶強(qiáng)材端部容易出現(xiàn)疲勞破壞。當(dāng)肋板扶強(qiáng)材不與縱骨相連時，縱骨的載荷全部由貫穿孔傳遞，因此，這種情況下貫穿孔補(bǔ)板的設(shè)置是必要的。

(3)由于外部水壓的作用，為避免肋板與外板的連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而貫穿孔補(bǔ)板應(yīng)與外板相連接。

(4)縱骨貫穿孔變形時，橫向肋板的趾端與縱骨腹板的焊接處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，如不希望對結(jié)構(gòu)進(jìn)行過多的修改，可將趾端設(shè)計成軟趾，能有效改善疲勞壽命。

(5)雖然加強(qiáng)方案2的疲勞情況相對于加強(qiáng)方案1更為有效，但考慮到加強(qiáng)方案2的焊接更為復(fù)雜，因此，當(dāng)存在多種加強(qiáng)方案時，在滿足衡準(zhǔn)的前提下，應(yīng)選擇成本更低、結(jié)構(gòu)更簡單的方案，做到降本增效才是最重要的。

[1] 馮國慶. 船舶結(jié)構(gòu)疲勞評估方法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2006:62-69.

[2] 日本船體構(gòu)造委員會. 大型船の橫桁材におけるスロット周辺の損傷防止に関する検討[J]. 日本造船學(xué)會誌，1971，505:18-20.

[3] Lloyd's Register. Fatigue Design Assessment Level 3 Procedure Guidance on direct calculations[S].London:Lloyd's Register Group LimitedRegistered office, 2009:18-20.

[4] Lloyd's Register. Fatigue Design Assessment-Application and Notations[S].London:Lloyd's Register Group LimitedRegistered office, 2015：17-24.

[5] Lloyd's Register. Fatigue Design Assessment Level 1 Procedure Structural Detail Design Guide[S]. London:Lloyd's Register Group LimitedRegistered office, 2009: 17-19.

[6] 胡朝威，胡毓仁.散貨船新型曲邊肘板節(jié)點的疲勞強(qiáng)度[J]. 造船技術(shù)，2005(1)：9.

U661.43

A

2017-03-21

周廣喜(1987—),男，碩士，工程師，從事環(huán)境載荷與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究。