傳統(tǒng)船舶落水管設計中存在的疲勞風險與改進方案

趙文斌，高 峰，華 康

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 引 言

疲勞強度分析是船舶結構設計中非常重要的環(huán)節(jié)，一旦船體結構因疲勞破壞而產(chǎn)生裂紋，會造成結構斷裂破環(huán)，在極端情況下甚至會造成海難事故。目前船級社規(guī)范對船體主要構件中結構不連續(xù)處或高應力處的疲勞強度[1-2]較為關注，例如縱骨趾端和艙口角隅等，但很少關注甲板落水管的疲勞強度。甲板落水管一般位于甲板邊板上，甲板邊板是承受船舶總縱強度的主要構件，屬于高應力區(qū)域，一旦出現(xiàn)疲勞裂紋，會嚴重影響船舶的安全運營。

甲板落水管是將甲板上的水從甲板排至舷外的管路。圖1為船上常見的落水管焊接節(jié)點形式。在該形式的節(jié)點中，落水管直接通過角焊縫與甲板開孔自由邊焊接，結構形式簡單，焊接方便，在船舶設計建造中被廣泛使用。

判斷某種節(jié)點形式是否具有較好的疲勞強度，一種較為簡單的方式是通過有限元分析求得該節(jié)點的應力集中系數(shù)。通過比較不同方案的應力集中系數(shù)的相對大小可知，集中系數(shù)小的節(jié)點疲勞強度相對較好[3-4]，集中系數(shù)相對大的節(jié)點疲勞強度相對較差。本文采用體單元的有限元方法建立詳細的甲板落水管節(jié)點模型。首先研究傳統(tǒng)型落水管節(jié)點形式（如圖1a）所示）角焊縫處的熱點應力集中系數(shù)，計算結果表明角焊縫處應力集中系數(shù)較大。隨后計算補強型落水管節(jié)點形式（如圖1b）所示）角焊縫處的熱點應力集中系數(shù)，計算結果表明傳統(tǒng)的補強處理并未起到明顯的改善效果。

為解決傳統(tǒng)落水管設計中熱點應力集中系數(shù)偏大的問題，提出一種改進方案。通過有限元分析，證明該改進方案能有效減小熱點應力集中系數(shù)，降低疲勞破壞的風險。

圖1 船上常見的落水管焊接節(jié)點形式

1 常規(guī)落水管的設計及其應力集中系數(shù)

1.1 節(jié)點尺寸

本文計算的傳統(tǒng)型落水管節(jié)點見圖2，節(jié)點的具體尺寸見表1。

圖2 傳統(tǒng)落水管節(jié)點

表1 節(jié)點尺寸

1.2 有限元模型

采用軟件PATRAN/NASTRAN進行有限元分析，有限元模型見圖3。由于需表達焊縫信息，無法對傳統(tǒng)的殼單元進行模擬。整個模型統(tǒng)一使用8節(jié)點六面體單元和6節(jié)點五面體單元進行有限元計算分析。計算中使用的載荷為沿船長方向的單位拉伸載荷。

圖3 有限元模型

1.3 應力集中系數(shù)

根據(jù)上述體單元模型計算得到甲板落水管周邊的應力見圖 4a），最大熱點應力集中系數(shù)出現(xiàn)位置見圖4b），熱點應力集中系數(shù)最大點在與船長方向平行的角焊縫處，達到3.26。熱點應力的獲取方法參考文獻[2]中關于體單元的讀取方法，此處不再單獨描述。

以40萬t礦砂船為例，船中主甲板上焊接節(jié)點的應力集中系數(shù)約為1.8時能滿足30a的設計疲勞壽命要求。對于常規(guī)的焊縫節(jié)點而言，當應力集中系數(shù)達到3.0時，疲勞壽命下降到6a左右。

圖4 最大主應力分布和最大熱點應力集中系數(shù)出現(xiàn)位置

因此，從計算結果中可看出：對于甲板落水管焊接處的應力集中系數(shù)而言，特別是在船中位置，焊縫應力集中系數(shù)約為 3.2，很難滿足疲勞強度的要求。因此，傳統(tǒng)的落水管設計存在較高的疲勞破壞風險，在船舶設計中應加以關注。

2 常用的補強型落水管節(jié)點設計及其應力集中系數(shù)

除了圖1a）所示的傳統(tǒng)型落水管設計之外，還有圖1b）所示補強型落水管節(jié)點形式。該形式常應用于對疲勞強度有較高要求的船舶上。為證明該形式的補強效果，同樣采用體單元有限元方法對該形式的熱點應力集中系數(shù)進行求解。補強型落水管節(jié)點模型細節(jié)見圖5，節(jié)點尺寸見表2。

圖5 補強型落水管節(jié)點模型細節(jié)

表2 補強型落水管節(jié)點尺寸

有限元模型及加載方法和應力讀取方法與第1節(jié)中的傳統(tǒng)型做法相同，僅開孔周圍略有區(qū)別，開孔周圍模型見圖6。

補強型落水管節(jié)點的有限元計算結果見圖7。熱點應力集中系數(shù)最大點出現(xiàn)的位置與傳統(tǒng)形式一樣，都在與船長方向平行的角焊縫處，應力集中系數(shù)的值為3.12。

圖6 補強型落水管節(jié)點開孔周圍有限元模型

圖7 補強型落水管節(jié)點的有限元計算結果

從計算結果中可看出：補強型落水管節(jié)點的最大應力集中系數(shù)出現(xiàn)的位置與傳統(tǒng)型落水管節(jié)點相同，其值略有改善，但差別很小。這說明補強方案并沒有起到明顯的改善疲勞強度的作用。

3 本文提出的改進方案

為改善焊腳處的應力集中系數(shù)，基于傳統(tǒng)落水管與開孔直接連接的設計形式，提出一種改進方案。該方案的出發(fā)點是盡量使焊腳遠離開孔邊緣，因為距離開孔越近，應力集中系數(shù)越大。在該改進方案中，使用一個比甲板開孔更大的圓形帽子倒扣在開孔下方，使落水管與帽子相連。具體改進方案示意見圖8，其中：甲板下的帽子高度為150mm，厚度為11mm；帽子與開孔邊緣之間的距離a取為100mm。改進方案的有限元模型見圖9。

圖8 本文提出的改進方案示意

圖9 改進方案的有限元模型

改進型落水管節(jié)點的有限元計算結果見圖10。熱點應力最大點出現(xiàn)在開孔自由邊的上表面，即圖10b）中的1號點，應力集中系數(shù)為3.36；焊腳處的應力集中系數(shù)為1.30，即圖10b）中的2號點。

圖10 改進型落水管節(jié)點的有限元計算結果

同樣以40萬t礦砂船為例，當船中主甲板上焊接節(jié)點的應力集中系數(shù)約為1.8時方能滿足30a的設計疲勞壽命要求。對于開孔自由邊而言，由于S-N曲線不同，應力集中系數(shù)為3.8時也能滿足30a的設計疲勞壽命要求。

因此，從計算結果中可看出：當焊縫處的應力集中系數(shù)從傳統(tǒng)形式的3.0左右減小到1.3時，能顯著降低焊縫處疲勞破壞的風險。對于自由邊而言，圓孔自由邊的應力集中系數(shù)理論值為 3.0，該改進型方案中開孔邊緣的應力集中系數(shù)為3.36，僅比理論值增大約12%。

4 結 語

本文采用體單元方法對傳統(tǒng)落水管的結構形式進行了體單元有限元分析。分析結果表明，傳統(tǒng)型落水管的開孔邊緣焊縫處應力集中系數(shù)高達 3.2，較高的熱點應力很難滿足疲勞強度的要求。另外，對常見的補強型落水管節(jié)點進行了有限元分析。分析結果表明，雖然該型的落水管對開孔處進行了結構補強，但應力集中系數(shù)仍高達3.1，結構補強沒有起到明顯的改善開孔邊緣應力集中問題的作用。

為改善傳統(tǒng)落水管開孔節(jié)點的應力集中問題，取消了傳統(tǒng)落水管與開孔直接連接的設計形式，先使用一個比甲板開孔更大的圓形帽子倒扣在開孔下方，再與落水管相連，這樣可使甲板的焊縫遠離開孔邊緣。焊縫處的應力集中系數(shù)約為 1.3，該設計大幅度減小了焊縫處的應力集中系數(shù)，可有效降低落水管處甲板的疲勞破壞風險。從計算結果上看，對于直徑為168mm的甲板開孔，帽子與開孔邊緣之間的距離在實際項目中可做適當?shù)恼{(diào)整。