49 000 DWT化學(xué)品船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化

高 嵩 吳定凡

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

上海船舶研究設(shè)計(jì)院（SDARI）研發(fā)團(tuán)隊(duì)以“設(shè)計(jì)精品”的理念開發(fā)大型雙相不銹鋼化學(xué)品船，以過硬指標(biāo)和優(yōu)異服務(wù)贏得船東Odfjell青睞。該船是SDARI最新設(shè)計(jì)的大型不銹鋼二類化學(xué)品船，貨艙周界全部采用雙相不銹鋼建造，最大滿載貨物密度為1.67 t/m3，艙容達(dá)54 000 m3。船體結(jié)構(gòu)滿足共同規(guī)范（HCSR）、MARPOL及IBC雙殼雙底的要求。貨艙橫艙壁采用水平槽型。相對(duì)于常規(guī)成品油輪，該船貨艙數(shù)量較多，達(dá)33個(gè)，其中中貨艙13個(gè)、邊貨艙20個(gè)。貨艙長度較短、貨物密度多樣、壓力閥閥壓亦不相同。除此之外，為了滿足船東要求，該船還有幾處中貨艙和邊貨艙的槽型艙壁不對(duì)齊的布置，增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。

1 結(jié)構(gòu)型式

化學(xué)品船的結(jié)構(gòu)型式一般分為兩種：

1）垂直槽型橫艙壁和垂直槽型縱艙壁的組合；

2）水平槽型橫艙壁和中隔艙的組合。

前者在艙容、施工和結(jié)構(gòu)可靠性方面有優(yōu)勢(shì)，而后者在不銹鋼重量控制及船舶使用維護(hù)方面有優(yōu)勢(shì)［1］?？刂撇讳P鋼用量和維護(hù)保養(yǎng)的便利性是此類船型降低成本和吸引船東的重要因素，因此該船貨艙結(jié)構(gòu)型式采用后一種方式。典型橫剖面圖見圖1。

圖1 49 000 DWT化學(xué)品船橫剖面圖

2 直接計(jì)算

該船有CSR入級(jí)符號(hào)，因而整個(gè)貨艙區(qū)的艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析是強(qiáng)制的［2］?？紤]到該船貨艙多且布置復(fù)雜（如圖2所示）。全船分為7個(gè)大“貨艙”進(jìn)行分析評(píng)估。其中，CH1屬于首貨艙；CH2、CH3屬于前體貨艙；CH4、CH5、CH6 屬于中體貨艙；CH7 屬于尾貨艙。由于不同區(qū)域艙段直接計(jì)算所用的貨艙裝載模式及其相應(yīng)的動(dòng)載荷是不同的，考慮到CH4和CH5結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱等因素，所以最終選取CH1、CH2、CH3、CH4、CH6、CH7 分別作為目標(biāo)艙進(jìn)行分析。

圖2 49 000 DWT化學(xué)品船總圖

艙段有限元分析包含粗模分析、細(xì)模分析等。粗模分析是指評(píng)估船體主要支撐構(gòu)件的強(qiáng)度，細(xì)模分析是指評(píng)估局部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的強(qiáng)度。

2.1 模型

模型縱向范圍包含3個(gè)貨艙長度，橫向包括左、右兩舷，垂向從船底板到甲板橫梁。CH4的模型如圖3所示。

2.2 邊界

該船中間艙采用HCSR規(guī)范中第1部分第7章2.5節(jié)表2所示的邊界［2］，即：后端面的獨(dú)立點(diǎn)約束δy、δz，并加上繞X軸的扭矩；前端面的獨(dú)立點(diǎn)約束δy、δz、θx；中縱剖面和內(nèi)底前端交點(diǎn)約束 δx。

2.3 載荷工況

考慮到該船艙室布置復(fù)雜，除了常規(guī)的HCSR油船計(jì)算工況［2］，下表列出的工況均為新增工況，以校核目標(biāo)艙艙中的橫向槽型艙壁以及其相鄰的縱艙壁、中隔艙強(qiáng)框等相關(guān)構(gòu)件。表1列出了新添加的CH4的載荷工況，限于篇幅，其他貨艙新增的計(jì)算工況不再羅列。

圖3 CH4模型

表1 CH4載荷工況

3 結(jié)果分析

3.1 粗模分析

3.1.1 舷側(cè)外板和外底板

目標(biāo)艙空，深吃水工況造成舷側(cè)外板、外底板橫向壓應(yīng)力較大，按原始板厚計(jì)算，舷側(cè)外板、外底板最大的屈曲利用因子分別為1.37/1.16，均超出衡準(zhǔn)；加屈曲筋再計(jì)算，其最大屈曲利用因子分別降至0.99/0.98，滿足衡準(zhǔn)，具體數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。

表2 舷側(cè)外板和外底板屈曲強(qiáng)度

3.1.2 內(nèi)殼和縱艙壁

邊貨艙滿，淺吃水工況造成內(nèi)殼橫向壓應(yīng)力較大，按原始板厚計(jì)算，內(nèi)殼最大屈曲利用因子為1.69，超出衡準(zhǔn)；加屈曲筋再計(jì)算，其最大屈曲利用因子降至0.94，滿足衡準(zhǔn)；中貨艙雖然貨物密度更大，板格的橫向壓應(yīng)力也較大，但由于中隔艙肋板間距為舷側(cè)肋板間距的一半，屈曲強(qiáng)度并未發(fā)現(xiàn)問題。具體數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。

表3 內(nèi)殼和縱艙壁屈曲強(qiáng)度

3.1.3 中縱桁

中貨艙間隔裝工況，中縱桁端部承受了不少垂向載荷引起的剪力，因而對(duì)中縱桁端部予以插厚以改善應(yīng)力水平。按原始板厚計(jì)算，端部最大合成應(yīng)力為339 MPa，超出衡準(zhǔn)；增加6 mm板厚再計(jì)算，端部最大合成應(yīng)力為270 MPa，滿足衡準(zhǔn)，具體數(shù)據(jù)對(duì)比見表4。

表4 中縱桁屈服強(qiáng)度

3.1.4 水平桁

品字裝工況，中貨艙和邊貨艙的壓差會(huì)在中隔艙水平桁的端部引起較大剪應(yīng)力，無論屈服強(qiáng)度還是屈曲強(qiáng)度都有問題。類似的，邊貨艙和海水的壓差也會(huì)在雙殼水平桁的端部引起較大剪應(yīng)力，此均可通過增加板厚解決。除此之外，該船型深較深，中貨艙寬度比邊貨艙寬，中貨艙貨物密度也比邊貨艙大，且中隔艙寬度小于雙殼寬度，所以中隔艙縱骨的相對(duì)變形存在較大問題，原結(jié)構(gòu)形式縱骨的相對(duì)變形接近20 mm，最終通過增加2條水平桁，使縱骨的相對(duì)變形值降到合理水平，具體數(shù)據(jù)見表5。圖4～圖5分別顯示原結(jié)構(gòu)形式和修改結(jié)構(gòu)形式的水平桁屈服計(jì)算結(jié)果。

表5 中隔艙縱骨相對(duì)變形

圖4 原結(jié)構(gòu)形式水平桁屈服計(jì)算結(jié)果

圖5 修改結(jié)構(gòu)形式水平桁屈服計(jì)算結(jié)果

3.1.5 槽型艙壁

由于中貨艙貨物密度較大，艙室寬度較寬，通過增加板厚來解決槽型艙壁下部屈服強(qiáng)度問題及中/上部屈曲強(qiáng)度問題。除此之外，槽型艙壁端部的折角點(diǎn)以及其與中隔艙水平桁的交點(diǎn)容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，因而很可能在槽條端部增加板厚。

3.2 細(xì)模分析

3.2.1 槽型艙壁端部

為了考察槽型艙壁端部折角點(diǎn)以及槽型艙壁與中隔艙水平桁交點(diǎn)的高應(yīng)力區(qū)域，且考慮到橫向槽型艙壁板厚隨高度變化的特點(diǎn)，該船做了大量的細(xì)化分析，最終為在槽型艙壁端部、中隔艙水平桁、垂直強(qiáng)框局部增加板厚提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。圖6為目標(biāo)艙后端FR133槽型艙壁與中隔艙構(gòu)件的屈服應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。其中：細(xì)節(jié)1顯示出水平桁與槽型艙壁交點(diǎn)處的應(yīng)力集中，該位置最大合成應(yīng)力為424 MPa；細(xì)節(jié)2顯示在槽型艙壁折角點(diǎn)處的應(yīng)力集中，該位置最大合成應(yīng)力是514 MPa，均滿足衡準(zhǔn)。

圖6 槽型艙壁與中隔艙構(gòu)件屈服應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.2.2 舷側(cè)肋板底部

舷側(cè)肋板底部的永久檢驗(yàn)通道（PMA）由于貨物與海水壓差較大，所以該區(qū)域容易出現(xiàn)強(qiáng)度問題；此外，折角（knuckle）點(diǎn)的疲勞也要重點(diǎn)考核，因而做了細(xì)模分析和疲勞分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，舷側(cè)肋板底部作了相應(yīng)插厚板處理。圖7為應(yīng)力最大處舷側(cè)肋板底部的屈服計(jì)算結(jié)果。其中：細(xì)節(jié)3顯示出knuckle點(diǎn)的應(yīng)力集中，該位置最大合成應(yīng)力為537 MPa；細(xì)節(jié)4顯示出舷側(cè)肋板底部PMA周圍的高應(yīng)力，該位置最大合成應(yīng)力是539 MPa，均滿足衡準(zhǔn)。

3.2.3 中隔艙肋板底部

圖7 舷側(cè)肋板底部屈服計(jì)算結(jié)果

中隔艙肋板底部PMA和knuckle點(diǎn)由于中貨艙的壓力大，該區(qū)域容易出現(xiàn)強(qiáng)度問題，因而做了細(xì)化分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，中隔艙肋板底部作了相應(yīng)插厚板處理。圖8為應(yīng)力最大處中隔艙肋板底部的屈服計(jì)算結(jié)果。其中：細(xì)節(jié)5顯示出中隔艙肋板knuckle點(diǎn)的應(yīng)力集中，該位置最大合成應(yīng)力為542 MPa；細(xì)節(jié)6顯示出中隔艙肋板底部PMA周圍的高應(yīng)力，該位置最大合成應(yīng)力是410 MPa，均滿足衡準(zhǔn)。

圖8 中隔艙肋板底部屈服計(jì)算結(jié)果

3.2.4 橫梁趾端

橫梁趾端設(shè)計(jì)初期考慮到應(yīng)力集中，腹板作圓弧過渡處理，面板作厚度減薄和削斜處理，細(xì)節(jié)7的最大合成應(yīng)力是344 MPa，滿足強(qiáng)度要求。圖9為應(yīng)力最大處橫梁趾端的屈服計(jì)算結(jié)果。

圖9 橫梁趾端屈服計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

化學(xué)品船貨艙數(shù)量較多，單艙艙長相對(duì)較短，貨物密度多樣，壓力閥閥壓亦不相同，因而計(jì)算工況較多且雜。對(duì)于橫向槽型艙壁和中隔艙組合結(jié)構(gòu)型式的化學(xué)品船而言，橫向槽型艙壁和其相鄰構(gòu)件的強(qiáng)度分析是此類船的重點(diǎn)，本文以49 000 DWT化學(xué)品船為例，著重介紹了中體3艙段有限元的計(jì)算工況、主要構(gòu)件的屈服屈曲成因及解決方案，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注的區(qū)域歸納如下：

1）中貨艙貨物密度較大，艙室寬度較寬，且中隔艙寬度小于雙殼寬度，容易引起中隔艙縱骨相對(duì)變形較大的問題。設(shè)計(jì)初期應(yīng)該考慮在中隔艙內(nèi)設(shè)置合理的水平桁數(shù)量及間距，以便于該問題的解決。

2）水平槽的結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定了在裝載貨物時(shí)，槽條的端部彎矩不小，雖然槽條腹板和面板之間采取圓弧過渡以降低槽條與相鄰構(gòu)件的應(yīng)力水平，但依然容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。此外，中隔艙水平桁與槽型相交處均為硬點(diǎn)，也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。通過局部插厚板可以解決該強(qiáng)度問題，但應(yīng)盡量控制插厚板的數(shù)量和板規(guī)，以便于船廠施工。

3）舷側(cè)外板、內(nèi)殼板、縱艙壁在貨物和海水的壓力下，容易產(chǎn)生橫向屈曲，可通過加垂向屈曲筋以提高板格的屈曲強(qiáng)度。

4）雙層底縱桁和肋板端部剪應(yīng)力較大，容易產(chǎn)生屈服問題，通過插厚板可以有效降低剪應(yīng)力以滿足屈服強(qiáng)度要求。