超大型集裝箱船支撐艙壁過渡結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度研究

陳星達(dá)，郁惠民，謝永和，王 偉

(浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院浙江舟山 316022)

相對于傳統(tǒng)的干散貨船、雜貨船而言，以標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)輸單位進(jìn)行海上運(yùn)輸?shù)募b箱船，其運(yùn)輸具有更便利、更有效率、更安全的特點，因此，傳統(tǒng)意義上的干散貨船逐漸被集裝箱船取代，成了海上運(yùn)輸?shù)闹髁姟?/p>

對于集裝箱船的橫艙壁，可以把該區(qū)域可分為上部及下部。在上部區(qū)域，與縱艙壁連接的結(jié)構(gòu)大部分都為箱形抗扭箱結(jié)構(gòu)，橫艙壁的水平平臺在與縱艙壁連接處通常設(shè)有肘板，該處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化范圍比較大，這是由于受到船體總縱彎曲以及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用。為了緩解這種情況，建造過程中一般會采用軟趾結(jié)構(gòu)、大型肘板或者兩者結(jié)合的過渡結(jié)構(gòu)，以此來減小交匯處的折角大小，提高該處的抗疲勞性能。不過，對于過渡結(jié)構(gòu)處疲勞強(qiáng)度的研究尚且欠缺，相關(guān)文獻(xiàn)也難以查閱，導(dǎo)致在集裝箱船設(shè)計與建造過程中如何選取合適的過渡結(jié)構(gòu)形式成為一個難題。

本文從疲勞強(qiáng)度出發(fā)，試圖通過改變該過渡結(jié)構(gòu)處的不同連接形式，并對其進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的計算，對比不同結(jié)構(gòu)形式下的疲勞壽命，以此來尋求一種相對較好的大型集裝箱船支撐式橫艙壁過渡結(jié)構(gòu)形式。

1 疲勞簡化分析法

本文主要采用疲勞分析法的簡化分析法，選擇貨艙區(qū)域關(guān)鍵位置的船體結(jié)構(gòu)節(jié)點進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評估。疲勞簡化分析法的主要步驟有：疲勞載荷計算、載荷工況設(shè)定、熱點應(yīng)力范圍計算、選擇S-N 曲線、累積損傷度的計算及衡準(zhǔn)。

此外，對于設(shè)計的疲勞壽命，總累積損傷度D 在此期間內(nèi)應(yīng)滿足式(1)要求：

其中：TD/a 為設(shè)計疲勞壽命，對于集裝箱船的設(shè)計疲勞壽命一般為20 a。

2 疲勞強(qiáng)度計算

2.1 疲勞累積損傷計算

結(jié)構(gòu)節(jié)點均勻滿載“k1”與正常壓載“k2”兩種裝載工況中的累積損傷度Dk應(yīng)按式(2)計算：

式中：ND為集裝箱船在設(shè)計疲勞壽命規(guī)定的年營運(yùn)期間內(nèi)載荷循環(huán)的總次數(shù)，取0.65×108；NL為載荷譜回復(fù)周期的循環(huán)次數(shù)，取為102；?k為均勻滿載“k1”與正常壓載“k2”兩種裝載工況中的時間分配系數(shù)，對于集裝箱船，均勻滿載狀態(tài)下的各子工況取為0.65，正常壓載狀態(tài)下的各子工況取為0.2；K 為S-N 曲線參數(shù)，如表1；SD(k)為均勻滿載“k1”與正常壓載“k2”兩種裝載工況的設(shè)計應(yīng)力范圍，N·mm-2；ζk為均勻滿載“k1”與正常壓載“k2”兩種裝載工況中的Weibull 形狀參數(shù)，取為1；

其中：m 為S-N 曲線反斜率，取為3；Δm為S-N 曲線兩段反斜率差，取為2；γ（x,v）為不完全GAMMA函數(shù)，按式(5)計算：

Γ 為完全GAMMA 函數(shù)值，應(yīng)按式(6)計算：Sq為S-N 曲線在交匯處的應(yīng)力幅值，如表1。

表1 S-N 曲線參數(shù)Tab.1 S-N curve parameters

結(jié)構(gòu)節(jié)點的總累積損傷度按式(7)計算：

式中：Dk為結(jié)構(gòu)節(jié)點在均勻滿載“k1”與正常壓載“k2”兩種裝載工況下的累積損傷度。

結(jié)構(gòu)疲勞壽命應(yīng)按式(8)計算：

式中：D 為結(jié)構(gòu)節(jié)點的總累積損傷度，見式(7)。

2.2 設(shè)計應(yīng)力范圍

均勻滿載“k1”與正常壓載“k2”兩種裝載工況中的設(shè)計應(yīng)力范圍SD(k)應(yīng)按式(9)計算：

式中：Sh,i(k)為均勻滿載“k1”與正常壓載“k2”兩種裝載工況中編號為“i”的載荷工況下的熱點應(yīng)力范圍，N·mm-2；fm，i(k)為均勻滿載“k1”與正常壓載“k2”兩種裝載工況中編號為“i”的載荷工況下的熱點平均應(yīng)力修正系數(shù)；ft為板厚修正系數(shù)。

3 實船計算

3.1 超大型集裝箱船基本數(shù)據(jù)

本文以某12 200 TEU 集裝箱船為例，其主尺度為：總長327.61 m，垂線間長313.13 m，設(shè)計船長309.15 m，型寬48.20 m，型深27.20 m，設(shè)計吃水13.00 m，結(jié)構(gòu)吃水15.50 m，航速22 kn，方形系數(shù)0.678 9。

3.2 有限元模型

本文所分析的有限元模型選取了靠近船中位置處的艙段，包括了66-87 肋位之間的一整個貨艙以及前后延伸的半個貨艙，總長度為2 個貨艙艙段結(jié)構(gòu)。建模的過程主嚴(yán)格按照有限元建模原則進(jìn)行，利用MSC.Patran 建立有限元模型如圖1，分別為集裝箱船的全寬模型和半寬模型。

圖1 12 200 集裝箱船艙段全寬模型Fig.1 Full width model of 12 200 container cabin section

3.3 計算工況

用于本文疲勞強(qiáng)度計算的工況稱為計算工況，由各疲勞評估的兩種裝載工況，即正常壓載和均勻滿載，與及其對應(yīng)的載荷工況組合而成。對于每一個疲勞評估裝載工況，應(yīng)考慮用于疲勞評估的動載荷組合之后所形成的所有疲勞載荷工況。對于每一疲勞評估裝載工況的主導(dǎo)載荷工況選取，需要計算在熱點處的所有載荷工況下的設(shè)計應(yīng)力范圍，選取其中熱點應(yīng)力范圍值最大的載荷工況作為該裝載工況下的主導(dǎo)載荷工況。

對于兩種典型的裝載工況，即均勻滿載和正常壓載，其12 種載荷工況將由以下規(guī)則波組成：

1)H：指在迎浪狀態(tài)下，其垂向波浪彎矩達(dá)到最大時的一種規(guī)則波；

2)F：指在隨浪狀態(tài)下，其垂向波浪彎矩達(dá)到最大時的一種規(guī)則波；

3)R：指船舶在橫搖運(yùn)動達(dá)到最大時的一種規(guī)則波；

4)P：指船舶在水線處水動壓力達(dá)到最大時的一種規(guī)則波。

將等效設(shè)計波與12 種載荷工況相對應(yīng)，可得到如下12 種載荷工況：

H1、H2、F1、F2、R1P、R2P、R1S、R2S、P1P、P2P、P1S、P2S

3.4 過渡結(jié)構(gòu)形式

在集裝箱船的支撐式橫艙壁位置，需要在內(nèi)舷側(cè)與上部抗扭箱相交處建立過渡結(jié)構(gòu)，使其能夠滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及疲勞強(qiáng)度。因此，本章針對一般形式的過渡結(jié)構(gòu)，及僅有大肘板作為支撐的過渡結(jié)構(gòu)形式展開討論，并設(shè)計了另外幾種有關(guān)延伸結(jié)構(gòu)與大肘板組合的過渡結(jié)構(gòu)形式，并將幾種過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的對比，分析其疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命，并討論各個結(jié)構(gòu)形式之間的差異與優(yōu)劣。

設(shè)計的3 種支撐式橫艙壁過渡結(jié)構(gòu)形式如圖2～4：

圖2 形式一Fig.2 Form one

圖3 形式二Fig.3 Form two

圖4 形式三Fig.4 Form three

對于支撐艙壁處的第一種過渡結(jié)構(gòu)形式選取，主要是考慮將其用于無一般大肘板情況時，過渡結(jié)構(gòu)處疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命的對比，因此設(shè)計了一種既無延伸結(jié)構(gòu)，也無大肘板作為支撐的過渡結(jié)構(gòu)。支撐艙壁的第二種結(jié)構(gòu)形式，既安裝了大肘板作為支撐，也做了棱角處的結(jié)構(gòu)延伸。此外，支撐艙壁結(jié)構(gòu)形式三為過渡結(jié)構(gòu)處有大肘板作為支撐，但沒有延伸結(jié)構(gòu)。

3.5 疲勞評估熱點位置

針對集裝箱船支撐式橫艙壁處的過渡結(jié)構(gòu)，選取了內(nèi)舷側(cè)板與上層抗扭箱交匯處周圍的節(jié)點為疲勞評估的熱點，根據(jù)以上3 種不同形式的過渡結(jié)構(gòu)，共有節(jié)點5 個。此外，為更好地對集裝箱船進(jìn)行疲勞評估，還對一個集裝箱船的常規(guī)疲勞評估位置進(jìn)行了疲勞計算，即位于1/4 艙段位置的內(nèi)底板與內(nèi)舷側(cè)相交處節(jié)點。因此，表2 主要進(jìn)行了6 個熱點的疲勞計算。各熱點的具體信息如表2。

在計算疲勞壽命時，為了能讓應(yīng)力呈現(xiàn)梯度的變化，需要將每一個熱點處的有限元網(wǎng)格細(xì)化為比較小的精細(xì)網(wǎng)格，具體的大小尺寸一般可以取為與該處的板厚厚度一致。因此，在確定了各個疲勞熱點的位置之后，對于現(xiàn)有的有限元粗網(wǎng)格，各個熱點處的模型細(xì)化工作需按照有限元建模原則進(jìn)行。圖5～10 為各疲勞熱點細(xì)化后的有限元模型圖。

圖5 HotSpot1 的有限元細(xì)化模型圖Fig.5 Finite element refinement model diagram of HotSpot1

圖6 HotSpot2 的有限元細(xì)化模型圖Fig.6 Finite element refinement model diagram of HotSpot2

圖7 HotSpot3 的有限元細(xì)化模型圖Fig.7 Finite element refinement model diagram of HotSpot3

圖8 HotSpot4 的有限元細(xì)化模型圖Fig.8 Finite element refinement model diagram of HotSpot4

圖9 HotSpot5 的有限元細(xì)化模型圖Fig.9 Finite element refinement model diagram of HotSpot5

圖10 HotSpot6 的有限元細(xì)化模型圖Fig.10 Finite element refinement model diagram of HotSpot6

3.6 疲勞強(qiáng)度計算結(jié)果

在得到各位置處熱點的熱點應(yīng)力范圍后，可以乘以相應(yīng)系數(shù)進(jìn)行設(shè)計應(yīng)力范圍的計算，并選取設(shè)計應(yīng)力范圍最大的載荷工況為主導(dǎo)載荷工況，選取相對應(yīng)的合適的S-N 曲線，并根據(jù)2.2 節(jié)疲勞損傷度計算公式，得到了集裝箱船支撐式橫艙壁過渡結(jié)構(gòu)處各熱點的疲勞損傷度和疲勞壽命，如表3。

表3 各熱點疲勞損傷度與疲勞壽命Tab.3 Fatigue damage degree and fatigue life of each hot spot

4 結(jié)論

圍繞超大型集裝箱船存在的疲勞強(qiáng)度問題，本文針對12 200 TEU 集裝箱船的支撐式橫艙壁的3 種不同形式的過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計算，并比較它們之間的差異。計算結(jié)果表明，本文選取的3 種過渡結(jié)構(gòu)形式中各熱點疲勞壽命均滿足規(guī)定的20 a 標(biāo)準(zhǔn)。另外在綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，疲勞壽命，以及結(jié)構(gòu)輕量化的前提下，得到了一種最為合適的過渡結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)有大肘板，且在靠近上部抗扭箱位置安裝有延伸結(jié)構(gòu)，在靠近內(nèi)舷側(cè)位置無延伸結(jié)構(gòu)。