基于CSR-BC&OT規(guī)范鋼卷裝載和連接強度校核的研究

朱鳳嬌

摘? ? 要：介紹了CSR-BC&OT規(guī)范對連接強度的計算要求，研究了在鋼卷裝載情況下采用有限元計算連接強度的方法，通過對一艘6.1萬噸散貨船結(jié)構(gòu)形式的實例建模并在內(nèi)底縱骨和肋板連接處的網(wǎng)格細(xì)化，分析了其應(yīng)力分布特征及其承載能力。對比分析不同肋板板厚和不同貫穿孔形式下的應(yīng)力結(jié)果，提出了應(yīng)對鋼卷裝載的連接強度計算方法和結(jié)構(gòu)形式修改建議。

關(guān)鍵詞：鋼卷裝載;連接強度;有限元方法;強度計算

1? 引言

CSR-BC&OT 規(guī)范在Part1， Chapter3， Section5， 5.2 中對縱骨和主要支撐構(gòu)件之間的連接強度計算提出了要求。對于鋼卷載荷并沒有要求參與到此連接強度計算中。

本文從工程實際出發(fā)，以某6.1萬載重噸散貨船為例，應(yīng)用梁理論方法和有限元分析方法對該船內(nèi)底板在裝載25噸鋼卷情況下分析縱骨貫穿孔的強度，對比分析不同肋板板厚和不同貫穿孔形式下的應(yīng)力狀態(tài)，并給出了針對重鋼卷裝載的優(yōu)化設(shè)計方案。

2? 連接強度梁理論分析

2.1? 鋼卷載荷計算方法簡述[1]

鋼卷在內(nèi)底板上的布置可以參考圖1。裝載鋼卷時，內(nèi)底板和鋼卷之間需要鋪墊墊料。鋼卷載荷通過墊料施加于內(nèi)底板和內(nèi)底板縱骨，由內(nèi)底板縱骨通過貫穿孔和豎向支撐條材的連接傳遞到實肋板。

鋼卷傳遞到肋板之間的載荷大小與鋼卷自重、鋼卷層數(shù)、墊料數(shù)量和布置方案等因素有關(guān)。兩個肋板之間的等效鋼卷質(zhì)量可以由下公式計算：

[Msc-ib-s=KSWn1n2n3]

式中：

KS——系數(shù)用于考慮是否有鋼卷鎖緊;

W——表示每個鋼卷質(zhì)量;

n1——鋼卷裝載層數(shù);

n2——表示每個鋼卷下的墊料數(shù)量;

n3——表示肋板之間的墊料數(shù)量。

傳遞到實肋板間的靜載荷可以用等效鋼卷質(zhì)量乘以重力加速度g。

2.2? 用于連接強度計算的載荷

考慮到船寬方向鋼卷布置的不確定性，存在鋼卷布置在內(nèi)底縱骨正上方的情況。保守分析，認(rèn)為這種情況下此列鋼卷載荷全部有一根縱骨承擔(dān)。建立梁系模型分析。

中間肋板處縱骨傳遞的剪力為817.5kNx2=1635.0kN。相同位置的縱骨與肋板連接處在隔艙重貨裝載情況下傳遞的剪力為485.8kN，是計算的決定載荷，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼卷裝載工況下傳遞的剪力。取鋼卷傳遞的載荷計算連接強度，本船內(nèi)底板多處貫穿孔和豎向支撐條材應(yīng)力超過許用值。

考慮到上述方法假設(shè)僅有一根縱骨承擔(dān)了鋼卷載荷，忽略了內(nèi)底板架的相互作用，計算結(jié)果偏于保守。用有限元方法繼續(xù)對該位置的貫穿孔位置和豎向支撐條材位置進(jìn)行計算。

3? FEM計算鋼卷裝載下的連接強度

3.1? 模型范圍和網(wǎng)格尺寸

有限元模型采用三艙段模型?？紤]到貫穿孔尺寸較小，對貨艙中部的3個肋板位置的龍筋貫穿孔進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格建模。內(nèi)底縱骨板元化處理。細(xì)網(wǎng)格部分嵌在整體模型中。分別建模11.5mm， 13mm， 14.5mm和16mm四種肋板板厚，無貫穿孔補板和有貫穿孔補板形式進(jìn)行對比分析。

3.2? 載荷工況

3.2.1? 靜水載荷加載

根據(jù)裝載手冊，取吃水T=12.642m施加靜水載荷P=1.025[×]9.81[×]10-3[×]z（m）于外板上。

3.2.2? 細(xì)網(wǎng)格區(qū)域鋼卷壓力加載

根據(jù)本船的布置方案，考慮到本次分析主要研究鋼卷載荷對連接強度的影響，所以在有限元計算過程中，把細(xì)化節(jié)點位置的鋼卷載荷施加在距離鋼卷和內(nèi)底板切點最近的縱骨上。本船兩個肋板之間的墊料數(shù)量n2為5，把等效鋼卷載荷Fsc-ib-s平均分配5份到縱骨上對應(yīng)墊料位置的節(jié)點上。

3.2.3? 非細(xì)化區(qū)域鋼卷壓力加載

對于非網(wǎng)格細(xì)化區(qū)域，把去除掉細(xì)化區(qū)域剩余鋼卷重量產(chǎn)生的載荷平均分配到對應(yīng)的節(jié)點上，以節(jié)點力的形式施加。

3.2.4? 船中彎矩修正

上述載荷施加后，船中彎矩沒有達(dá)到設(shè)計彎矩，通過在三艙段甲板與外底節(jié)點施加對稱彎矩，使船中彎矩分別達(dá)到中拱目標(biāo)值和中垂目標(biāo)值。

4? 計算結(jié)果分析

4.1? 連接強度的應(yīng)力分析

在中拱狀態(tài)下，內(nèi)底縱骨的貫穿孔和支撐條材最大應(yīng)力位置參考圖2和圖3。

5? 結(jié)論

根據(jù)上述計算分析表明，現(xiàn)有規(guī)范未能充分考慮鋼卷裝載對連接強度的影響。本文通過梁系理論分析和有限元分析，研究用鋼卷載荷計算連接強度的方法。通過計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，增加肋板板厚并不能有效降低貫穿孔和支撐條材的應(yīng)力，增加貫穿孔補板是一種比較有效的減少應(yīng)力的方法。后續(xù)如果有需要裝載鋼卷的散貨船進(jìn)行連接強度的校核，可參考本文方法進(jìn)行計算。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國船級社. 鋼制海船入級規(guī)范2015：第6分冊 [M]. 北京： 人民交通出版社，2015.