VLCC貨油艙斜梯梯道孔設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核

朱培培，焦玲玲，盛利賢

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

在船舶正常運(yùn)營期間，需定期對其進(jìn)行檢驗(yàn)，以免船舶因遭受腐蝕、碰撞、摩擦或超載而出現(xiàn)裂縫、屈曲或變形等情況，同時(shí)確保鋼板的損減厚度在許可范圍內(nèi)。為對船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢驗(yàn)和近觀檢驗(yàn)，必須設(shè)置合適的通道[1]。例如，超大型油船（Very Large Crude Carrier, VLCC）貨油艙的橫艙壁水平桁兼作通道需設(shè)置斜梯貫穿，上部開設(shè)有梯道孔，而構(gòu)件設(shè)置開孔可能會(huì)影響局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，使開孔板孔邊在載荷的作用下出現(xiàn)高應(yīng)力（甚至嚴(yán)重的應(yīng)力集中）現(xiàn)象，導(dǎo)致材料進(jìn)入屈服狀態(tài)或產(chǎn)生裂紋，從而引起結(jié)構(gòu)破壞。因此，對開孔區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析尤為重要。

梯道孔的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核分屬舾裝和結(jié)構(gòu)2個(gè)專業(yè)，為實(shí)現(xiàn)專業(yè)互通和更好地進(jìn)行專業(yè)協(xié)調(diào)，本文以某VLCC為例，對其梯道孔的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核進(jìn)行分析。

1 梯道孔設(shè)計(jì)

VLCC貨艙斜梯孔通常設(shè)置在橫艙壁水平桁上，貨油艙內(nèi)的載荷工況較為復(fù)雜，為盡量降低開孔對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，需在設(shè)計(jì)方案初期綜合考慮水平桁上防傾肘板和腹板加強(qiáng)筋的位置，確定梯口的尺寸和位置。

1.1 梯道孔尺寸

斜梯梯道孔要方便人員通過，孔的大小與斜梯的傾斜角度θ和梯子寬度b密切相關(guān)。梯子外圍設(shè)有扶手等外圍梯架，外圍梯架寬度通常取150mm，當(dāng)梯子寬度b給定時(shí)，梯道孔的寬度B等于梯子寬度b、外圍梯架寬度和余量三者之和，余量考慮兩邊至少留有20mm的空隙，若孔邊設(shè)置面板，則需在余量中考慮面板厚度。斜梯的梯口長度通常需保證2m高的人能直立通過斜梯而不會(huì)碰到其頭部，當(dāng)斜梯的傾斜角度θ給定時(shí)，考慮梯子臺階的位置，可通過作圖法得到梯口長度。

斜梯上端部一般焊接在可支撐斜梯的構(gòu)件上，為便于靠梯，盡量將靠梯一側(cè)孔邊做成平直形狀。為改善應(yīng)力集中問題，邊緣用小半徑倒圓過渡，在條件允許的情況下盡量將半徑做大，但圓弧半徑的大小需保證梯子和梯架垂向順利延伸。圖1為梯道孔倒圓尺寸要求示意，其中：d為梯子端部支撐件的寬度；D為梯道孔的寬度；b1為梯子和外圍梯架的總寬，必須保證D＞b1。

1.2 梯道孔位置

為提高分段舾裝的完整性，盡量避免梯子和梯道孔跨分段布置。對于VLCC艙壁水平桁而言，端部肘板圓弧的拐點(diǎn)左右延伸一個(gè)縱骨間距s的區(qū)域（見圖2）為高應(yīng)力區(qū)，在布置梯道孔時(shí)應(yīng)盡量避開該區(qū)域。但是，在實(shí)際操作過程中考慮到檢驗(yàn)的方便性和分段舾裝的完整性等，需綜合考慮各梯口的位置，梯道孔所處位置可能不可避免地臨近高應(yīng)力區(qū)，此時(shí)需通過有限元來評估其強(qiáng)度。

圖1 梯道孔倒圓尺寸要求示意

圖2 油船艙壁水平桁高應(yīng)力區(qū)示意

此外，斜梯口與相應(yīng)艙壁水平桁下端艙壁及水平桁加強(qiáng)構(gòu)件的布置尺寸關(guān)系如下：

1) 若下梯前方是艙壁，人員通過的有效距離C需滿足一般通道的最小要求，即大于600mm；

2) 斜梯口一般布置在水平桁兩加強(qiáng)構(gòu)件之間，不僅要避開加強(qiáng)構(gòu)件，而且須考慮人員通過時(shí)其頭部是否會(huì)與加強(qiáng)構(gòu)件相碰，使構(gòu)件完全位于下梯斜線之外（見圖3）[2]。

圖3 梯道孔位置設(shè)計(jì)要求

圖4 梯道孔設(shè)計(jì)實(shí)例

本文對某VLCC水平桁上的梯道孔進(jìn)行設(shè)計(jì)，該船包含左、中、右等3個(gè)艙，垂向設(shè)置3道水平桁，其中第一道水平桁和第二道水平桁上設(shè)置有梯道孔（見圖4）。為避免跨分段設(shè)計(jì)，將邊貨艙梯道孔設(shè)置在水平桁中部，將中貨艙的一個(gè)梯道孔設(shè)置在水平桁一側(cè)的端部。

斜梯的傾斜角度θ和梯子寬度b在建造規(guī)格書中限定，本實(shí)例取θ=55°，b=500mm，靠梯側(cè)用倒圓過渡，倒圓半徑取 200mm，另一側(cè)呈半圓狀。為保證梯子和梯架垂向延伸，同時(shí)考慮到后續(xù)孔邊可能設(shè)置面板，梯道孔的寬度最終取740mm；為保證2m高的人在直立通過斜梯時(shí)不會(huì)碰到頭部，通過作圖法最終確定梯道孔長度為1750mm，初始板厚取20mm，材料為AH32鋼。

2 梯道孔有限元強(qiáng)度校核

2.1 主要支撐構(gòu)件開孔強(qiáng)度分析流程

對于船長在150m以上的油船，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要滿足規(guī)范《Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers》[3]（以下簡稱“規(guī)范”）的相關(guān)要求。根據(jù)規(guī)范的要求，開孔的有限元強(qiáng)度分析流程見圖5，若開孔處于圖2所示的高應(yīng)力區(qū)，則必須進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格篩選。

圖5 開孔的有限元強(qiáng)度分析流程

圖 5中：h0為平行于桁材腹板高度方向的開孔高度，mm；h為開孔處桁材腹板的高度，mm；為平行于桁材腹板方向的開孔長度，mm；λsc為篩選因子，本文根據(jù)求??；Ch為系數(shù)，對主要支撐構(gòu)件腹板上的開孔有對肘板和支撐肘板腹板上的開孔有Ch=1.0；r為開孔半徑，mm；k為材料系數(shù)；σx為艙段有限元分析確定的單元x方向的軸向應(yīng)力， N /mm2；σy為艙段有限元分析確定的單元y方向的軸向應(yīng)力， N /mm2；τxy為艙段有限元分析確定的單元的剪應(yīng)力， N /mm2。坐標(biāo)系與開孔參數(shù)示意見圖6。λscperm為許用篩選因子，對于S+D工況有λscperm=1.70，對于S工況有λscperm=1.36。

圖6 開孔參數(shù)示意

評估范圍見圖7，應(yīng)按衡準(zhǔn)要求驗(yàn)證圖7中腹板上陰影部分的各單元。

圖7 開孔細(xì)網(wǎng)格篩選評估范圍

2.2 有限元模型

對實(shí)例中水平桁上的梯道孔進(jìn)行強(qiáng)度校核。首先采用三艙段模型進(jìn)行三艙段粗網(wǎng)格分析，模型網(wǎng)格尺寸采用縱骨間距或舷側(cè)肋骨間距。模型中所有板均采用三節(jié)點(diǎn)或四節(jié)點(diǎn)板殼單元模擬，所有加強(qiáng)筋和高腹板的面板均采用梁單元模擬。建模時(shí)構(gòu)件的尺寸采用建造厚度，可在LR/CSR FE Analysis軟件中扣除腐蝕余量。按照規(guī)范第七章的要求施加相應(yīng)的邊界條件和載荷，經(jīng)過載荷組合之后的工況共計(jì) 64個(gè)，采用LR/CSR FE Analysis軟件進(jìn)行加載計(jì)算。

艙段有限元計(jì)算完成之后，需通過第2.1節(jié)中的細(xì)網(wǎng)格篩選流程判斷是否需對開孔區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化分析。對于實(shí)例中的VLCC，最終確定需對中艙艙壁水平桁上的開孔進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化分析，這種網(wǎng)格細(xì)化分析既可通過在艙段模型中嵌入細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行，又可使用單獨(dú)的包含細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域的局部有限元模型進(jìn)行，此時(shí)邊界條件從艙段模型中獲取[4]，本文采用的是前一種方法。

對于需進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化分析的開孔區(qū)域，開孔周圍最內(nèi)2層單元的網(wǎng)格尺寸應(yīng)不大于50mm×50mm，直接焊接在開孔邊緣的邊緣加強(qiáng)筋應(yīng)使用殼單元建模，靠近開孔的腹板加強(qiáng)筋可使用距離開孔邊緣50mm以外的桿單元或梁單元建模。

2.3 評估準(zhǔn)則

根據(jù)規(guī)范第七章的要求，細(xì)網(wǎng)格評估衡準(zhǔn)為λf≤λfperm，其中λf為細(xì)網(wǎng)格屈服利用系數(shù)。對于板單元而言，λf=σvm/RY，其中：σvm為合成應(yīng)力， N /mm2，RY為名義屈服應(yīng)力，取值235/k，k為材料系數(shù)，對于 AH32的鋼，k=0.78。λfperm為細(xì)網(wǎng)格屈服利用系數(shù)許用值，對于不靠近焊縫的單元，S+D工況有λfperm= 1 .70ff，S工況有λfperm= 1 .36ff；對于靠近焊縫的單元，S+D工況有λfperm= 1 .50ff，S工況有λfperm= 1 .20ff。

ff為疲勞系數(shù)，一般而言ff=1.0；若按照規(guī)范第九章第二部分的要求對該細(xì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析并滿足要求，則ff=1.2。

采用LR/CSR FE Analysis軟件對S工況下的屈服利用系數(shù)進(jìn)行處理，將其除以系數(shù)0.8，使S工況下的衡準(zhǔn)值與S+D工況保持統(tǒng)一，這樣不靠近焊縫的單元屈服利用系數(shù)許用值取為1.70，靠近焊縫的單元屈服利用系數(shù)許用值取為1.50，若疲勞強(qiáng)度滿足要求，則相應(yīng)屈服利用系數(shù)許用值擴(kuò)大1.2倍。

2.4 應(yīng)力結(jié)果分析

通過計(jì)算得到水平桁梯道孔的應(yīng)力結(jié)果，中艙后艙壁梯道孔在各工況下的最大應(yīng)力云圖見圖8。從結(jié)果中可看出，開孔角隅point1和point2處的合成應(yīng)力較大，中艙前艙壁和后艙壁產(chǎn)生最大應(yīng)力的工況是不同的，分別為港內(nèi)和艙室試驗(yàn)工況下的A11和A13工況（見表1），兩者均為評估水平桁所在艙室為滿艙的情況。中艙后艙壁梯道孔在A11工況下的變形與應(yīng)力云圖見圖9。從圖9中可看出，水平桁肘板過渡區(qū)域變形較大：一方面近端部時(shí)在剪力的作用下形成較大的次彎矩[5]，該區(qū)域整體應(yīng)力偏大；另一方面開孔角隅point1和point2單元對角受拉，使得應(yīng)力集中問題較為嚴(yán)重。2處應(yīng)力較大的區(qū)域均不靠近焊縫，其中：point1處通過加大板厚易使其屈服利用系數(shù)滿足規(guī)范的要求值1.7；point2處的屈服利用系數(shù)為2.19，遠(yuǎn)超出許用值。

表1 2道油密縱艙壁油船船中貨艙區(qū)域有限元載荷組合（部分）

2.5 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)分析

為滿足規(guī)范的要求，針對上述應(yīng)力結(jié)果，提出以下幾種解決方法：

1) 加大板厚（方法A）。加大板厚是減小應(yīng)力的有效方法，但若應(yīng)力集中問題較為嚴(yán)重，加大板厚并不會(huì)使應(yīng)力明顯下降，最終使得滿足要求的板厚較大，該方法的經(jīng)濟(jì)性欠佳。

2) 加大圓弧半徑（方法 B）。加大應(yīng)力集中位置的圓弧半徑能使應(yīng)力較大位置的圓弧趨于緩和，在一定程度上改善應(yīng)力集中問題?？紤]到為方便靠梯而對開孔端部圓弧尺寸提出的要求，可將圓弧改成橢圓弧。

3) 增加面板（方法 C）。在孔的邊緣增加面板可顯著改善開孔圓弧位置的應(yīng)力集中問題，但增加面板本身會(huì)使結(jié)構(gòu)重量增加，且會(huì)給施工帶來不便，甚至可能因結(jié)構(gòu)間的距離過近而產(chǎn)生無法焊接的情況，因此是否采用該方法需綜合考慮。

4) 對應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)網(wǎng)格疲勞分析，通過滿足疲勞強(qiáng)度，提高細(xì)網(wǎng)格屈服利用系數(shù)的許用衡準(zhǔn)（方法 D）。若應(yīng)力集中點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度滿足要求，則疲勞系數(shù)取 1.2，細(xì)網(wǎng)格屈服利用系數(shù)許用值λfperm可放大1.2倍。疲勞評估方法參照肘板自由邊的疲勞評估方法：網(wǎng)格尺寸為t×t, 邊緣采用高度等于板厚、寬度等于1的虛擬梁單元模擬。

5) 改變斜梯梯道開孔的位置（方法 E）。改變梯子和梯道孔的布置，如將中部水平桁開孔設(shè)置在靠近跨距中部的區(qū)域，細(xì)網(wǎng)格篩選結(jié)果表明，該處開孔無須進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格分析，但為兼顧分段舾裝的完整性，本文暫不考慮采用該方法。

圖10為部分加強(qiáng)方法示意，表2為各加強(qiáng)方法對比。

圖10 部分加強(qiáng)方法示意

表2 梯道孔加強(qiáng)方法對比

從表2可看出，方法C中滿足規(guī)范要求的腹板厚度最小，但考慮到焊接工藝的要求，本文最終采用方法D，point2處對應(yīng)最小疲勞壽命為102a，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)疲勞壽命25a，疲勞強(qiáng)度滿足規(guī)范的要求，相應(yīng)不靠近焊縫區(qū)域的細(xì)網(wǎng)格屈服利用系數(shù)許用值取2.04，滿足要求的板厚為24mm(AH32)。這里的強(qiáng)度校核方法和加強(qiáng)方法對開孔強(qiáng)度分析具有普適性。

3 結(jié) 語

本文基于規(guī)范要求對某VLCC貨艙區(qū)的斜梯梯道孔進(jìn)行了設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核分析，重點(diǎn)介紹了斜梯梯道孔的尺寸和位置確定方法、有限元開孔強(qiáng)度分析流程、細(xì)網(wǎng)格校核方法和如何對不滿足規(guī)范要求的部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，最終采用何種加強(qiáng)方法需綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和工藝要求之后選取。本文采用的強(qiáng)度校核方法和加強(qiáng)方法對開孔強(qiáng)度分析具有普適性，可供后續(xù)類似船型的斜梯梯道孔設(shè)計(jì)和開孔強(qiáng)度分析參考。