支線集裝箱船整船強(qiáng)度和疲勞有限元分析

徐敏，湯明文，王旌生，宋夏，童曉旺

(中國船級(jí)社 規(guī)范與技術(shù)中心，上海 200135)

時(shí)有發(fā)生的集裝箱船海損事故，催生了IACS 新UR S11A和S34[1]的生效。集裝箱船作為運(yùn)輸集裝箱的專用船舶，為滿足航速及裝箱數(shù)的需求，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)為貨艙大開口和狹長的舷側(cè)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致整船的抗扭剛度降低，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)在船體總縱強(qiáng)度中的比例增大，使得易在艙口角隅產(chǎn)生應(yīng)力集中。為了考慮彎扭效應(yīng)，目前對(duì)于290 m及以上的大型集裝箱船[2-5]，各大船級(jí)社都強(qiáng)制要求進(jìn)行整船有限元分析以確保整船結(jié)構(gòu)的安全性。而中小型支線集裝箱船并非強(qiáng)制，一般只要求進(jìn)行描述性規(guī)范校核和貨艙段強(qiáng)度分析。這些要求對(duì)艙口角隅等局部位置和艏艉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估時(shí)有一定的局限性，給輕量化設(shè)計(jì)帶來風(fēng)險(xiǎn)。此外，船東對(duì)中小型支線集裝箱船安全性也越來越重視。綜合這些因素，考慮對(duì)中小型新造箱船的整船結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理準(zhǔn)確的強(qiáng)度和疲勞評(píng)估，以1艘支線型集裝箱船為目標(biāo)，結(jié)合IACS新UR S11A和S34的要求，進(jìn)行整船有限元分析，探討支線集裝箱船設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注的整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞問題。

1 船型參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

目標(biāo)船為無限航區(qū)，采用尾機(jī)型單島設(shè)計(jì)，其主尺度及相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 船舶主尺度參數(shù)

1)由于是支線集裝箱船，其型線沿船長方向收縮明顯，該船幾乎無平行中體，且艉部機(jī)艙區(qū)域和艏部非貨艙區(qū)域局部縱艙壁、局部平臺(tái)、橫向強(qiáng)框架及開孔眾多，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，這些區(qū)域不屬于UR S11A強(qiáng)制要求的強(qiáng)度評(píng)估區(qū)域，因此各船級(jí)社要求不一。

2)疲勞壽命要求提高，設(shè)計(jì)疲勞壽命由一般船的20年增加到25年。在突變區(qū)域的局部結(jié)構(gòu)面臨難以避免的應(yīng)力集中問題，而這些應(yīng)力集中的位置大部分處于船中的彎矩較大區(qū)域，同時(shí)還承受著復(fù)雜海況下的彎扭組合載荷。如縱向艙口圍前后端肘板趾端處、貨艙艙口角隅處、以及一些開孔區(qū)域易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂紋。

針對(duì)以上兩個(gè)難點(diǎn)，最有效的方法是參考大型集裝箱船的附加要求，開展整船有限元分析，以達(dá)到對(duì)整船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的校核和最后確認(rèn)。

2 整船分析要求研究

2016年7月1日后IACS最新的UR S11A和S34開始生效。根據(jù)UR S11A的要求，90 m以上的集裝箱船S11不再適用，需要采用S11A所規(guī)定的垂向波浪彎矩和剪力來評(píng)估總縱強(qiáng)度，評(píng)估的強(qiáng)制范圍為0.20L～0.75L；根據(jù)UR S34的要求，290 m及以上的集裝箱船必須進(jìn)行整船屈服、屈曲強(qiáng)度評(píng)估。雖然S34對(duì)于290 m以下的集裝箱船沒有強(qiáng)制要求進(jìn)行整船強(qiáng)度分析，但明確規(guī)定整船計(jì)算應(yīng)基于北大西洋波浪環(huán)境，且垂向波浪彎矩的水平與UR S11A保持一致，其他載荷由船級(jí)社決定。因此，對(duì)于無限航區(qū)的小型集裝箱船采用與UR S11A一致的載荷水平來進(jìn)行整船屈服、屈曲強(qiáng)度分析是合理的。

根據(jù)UR S34的要求，整船屈服、屈曲強(qiáng)度分析基于實(shí)際裝載工況及航行海況，并考慮到各典型工況下船舶可能遭遇的最危險(xiǎn)海況。具體則需要根據(jù)各船級(jí)社的規(guī)定來執(zhí)行。整船分析基于中國船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2018》[6](以下簡稱《鋼規(guī)2018》)對(duì)于整船計(jì)算以下規(guī)定。

1)裝載工況。達(dá)到或接近結(jié)構(gòu)吃水，且產(chǎn)生最大靜水彎矩的滿載工況；正常壓載工況；中貨艙一艙空工況；左右不對(duì)稱裝載的工況。

2)主導(dǎo)載荷控制參數(shù)。船中垂向波浪彎矩最大(中拱)或最小(中垂)；船中水平波浪彎矩最大(左舷來浪)或最小(右舷來浪)；波浪轉(zhuǎn)矩(L/4，L/2，3L/4)最大或最小；橫搖角最大或最??；船首垂向加速度最大或最小。

3)屈服強(qiáng)度衡準(zhǔn)。板單元和梁單元的衡準(zhǔn)都為許用應(yīng)力[σe]=0.9×235/KN/mm2,其中K為材料系數(shù)。

對(duì)于整船分析中的疲勞評(píng)估方法，US S11A和S34沒有要求?！朵撘?guī)2018》具體給出的評(píng)估方法為許用應(yīng)力范圍法。該方法比較簡單，但操作時(shí)有一個(gè)問題：《鋼規(guī)2018》給出的許用應(yīng)力范圍基于20年疲勞壽命，本船要求的疲勞壽命為25年，無對(duì)應(yīng)衡準(zhǔn)。為此，將應(yīng)力范圍轉(zhuǎn)化到累積損傷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞壽命的評(píng)估。

累積損傷度DT為

(1)

式中：ND為船舶在20年?duì)I運(yùn)期間的載荷循環(huán)總次數(shù)，取為0.65×108；NL為載荷譜回復(fù)周期的循環(huán)次數(shù)，取為108；α為船舶在航系數(shù)，取為0.85；K為S-N曲線參數(shù)；SD為設(shè)計(jì)應(yīng)力范圍，N/mm2：ξ為Weibull分布形狀參數(shù)；m為S-N曲線反斜率，取為3；Γ為完全GAMMA函數(shù)值。

結(jié)構(gòu)疲勞壽命TF為

(2)

當(dāng)TF大于設(shè)計(jì)的疲勞壽命時(shí)，滿足要求。

對(duì)于整船分析中的疲勞評(píng)估位置，《鋼規(guī)2018》要求應(yīng)至少包括機(jī)艙前(后)端艙口角隅、第1貨艙靠船首端甲板艙口角隅及一個(gè)位于船中區(qū)域包括艙口圍板的上甲板艙口角隅。此外，集裝箱船的其他典型位置如縱向艙口圍趾端、平臺(tái)甲板處角隅、艙壁上的門孔、人孔等也可能存在疲勞問題，需要采用有效的方法予以控制?？紤]采用疲勞評(píng)估的篩選方法，通過對(duì)粗網(wǎng)格整船有限元屈服應(yīng)力范圍的搜索，結(jié)合結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的應(yīng)力放大因子，篩選出疲勞評(píng)估節(jié)點(diǎn)后作精細(xì)網(wǎng)格疲勞計(jì)算。對(duì)不滿足要求的，類似節(jié)點(diǎn)都作相同加強(qiáng)，從而保證設(shè)計(jì)達(dá)到疲勞壽命的要求。

3 實(shí)船整船分析

3.1 有限元建模與計(jì)算

在以縱骨間距劃分的整船有限元粗網(wǎng)格模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行整船屈服、屈曲和疲勞評(píng)估。整船有限元模型見圖1，裝載工況見表2。

圖1 整船有限元模型

表2 整船有限元分析的裝載工況 m

在每一個(gè)裝載工況下，根據(jù)前述主導(dǎo)載荷控制參數(shù)，按照等效設(shè)計(jì)波的方法，進(jìn)行水動(dòng)力直接計(jì)算，并將水動(dòng)力計(jì)算得到靜水和波浪載荷傳遞到整船有限元模型中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得到屈服應(yīng)力。其中，船中垂向波浪彎矩作為主導(dǎo)載荷時(shí)，其要求值與UR S11A保持一致，其他載荷作為主導(dǎo)載荷時(shí)，其長期預(yù)報(bào)值的超越概率與垂向波浪彎矩作為主導(dǎo)載荷時(shí)取的超越概率保持一致。

疲勞評(píng)估時(shí)，采用每個(gè)主導(dǎo)載荷最大和最小工況下應(yīng)力相減，得到動(dòng)應(yīng)力范圍，繼而轉(zhuǎn)化成累計(jì)損傷和疲勞壽命。

3.2 整船有限元屈服結(jié)果

目標(biāo)船按照UR S11和UR S11A計(jì)算的船中垂向波浪彎矩值對(duì)比見表3。

表3 按UR S11和UR S11A計(jì)算的船中垂向波浪彎矩值 kN·m

對(duì)所有等效設(shè)計(jì)波計(jì)算工況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果按照屈服衡準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估后發(fā)現(xiàn)僅有少數(shù)區(qū)域不滿足要求。屈服不滿足區(qū)域的位置、最大屈服利用因子和主導(dǎo)工況見表4。

表4 整船屈服評(píng)估結(jié)果

3.3 整船有限元屈曲結(jié)果

屈曲強(qiáng)度評(píng)估基于屈服計(jì)算得到應(yīng)力，并扣除標(biāo)準(zhǔn)減薄厚度。評(píng)估衡準(zhǔn)見表5。

表5 許用屈曲利用因子ηall

評(píng)估后發(fā)現(xiàn)，在機(jī)艙區(qū)域的甲板、局部縱艙壁，貨艙區(qū)域的舷側(cè)外板、橫向強(qiáng)框架、平臺(tái)，艏部區(qū)域的舷側(cè)外板、局部縱艙壁、強(qiáng)框架，以及平臺(tái)等結(jié)構(gòu)都有一定的屈曲問題，屈曲不滿足區(qū)域的屈曲利用因子和主導(dǎo)工況見表6。

表6 整船屈曲評(píng)估結(jié)果

3.4 整船有限元疲勞結(jié)果

首先搜索粗網(wǎng)格模型下的整船結(jié)構(gòu)在各目標(biāo)載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力范圍，并結(jié)合較保守的應(yīng)力放大因子進(jìn)行初始篩選。經(jīng)過篩選發(fā)現(xiàn)，縱向艙口圍肘板趾端、艙口圍角隅、主甲板艙口角隅、2甲板艙口角隅、平臺(tái)甲板艙口角隅和內(nèi)殼縱艙壁開孔等60余個(gè)節(jié)點(diǎn)存在疲勞不滿足25年疲勞壽命的風(fēng)險(xiǎn)。這些節(jié)點(diǎn)中有些屬于結(jié)構(gòu)相同，位置不同，故僅選擇應(yīng)力范圍最大的節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行精細(xì)網(wǎng)格疲勞評(píng)估，不滿足則相應(yīng)類似節(jié)點(diǎn)都作相同加強(qiáng)。最終，共計(jì)對(duì)18個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了精細(xì)網(wǎng)格疲勞評(píng)估，其中有13個(gè)節(jié)點(diǎn)疲勞壽命小于25年?？v向艙口圍后端肘板趾端、機(jī)艙前端艙口角隅、內(nèi)殼縱艙壁開孔3種不同形式節(jié)點(diǎn)的疲勞評(píng)估結(jié)果見圖2。

圖2 整船部分節(jié)點(diǎn)疲勞評(píng)估結(jié)果

3.5 分析及討論

UR S11規(guī)定的最大中拱垂向波浪彎矩略大于UR S11A的值，兩者相差10%；最大中垂垂向波浪彎矩絕對(duì)值則明顯小于UR S11A的值，兩者相差55%左右。分析認(rèn)為產(chǎn)生這種差別的主要原因是UR S11A規(guī)定中拱非線性修正因子不大于1.1，中垂非線性修正因子不小于1且無上限，而該因子一般都大于1.5。

從整船屈服結(jié)果來看，經(jīng)過描述性規(guī)范和艙段有限元計(jì)算評(píng)估以及設(shè)計(jì)時(shí)高強(qiáng)度鋼的大量使用，大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸是能夠滿足整船屈服評(píng)估要求的，只有少部分結(jié)構(gòu)需要加強(qiáng)，且都出現(xiàn)在艏、艉部UR S11A強(qiáng)制要求范圍之外有局部應(yīng)力集中的非貨艙區(qū)域。值得注意的是這些不滿足要求的雖然不是同時(shí)在一個(gè)裝載工況下發(fā)生，但都出現(xiàn)在中垂波浪彎矩主導(dǎo)的情況下。

從整船屈曲結(jié)果來看，與屈服一樣，艏艉部UR S11A強(qiáng)制要求范圍之外的非貨艙區(qū)域在中垂波浪彎矩主導(dǎo)下，出現(xiàn)了不滿足要求的情況，但不滿足的結(jié)構(gòu)更多，區(qū)域更大。與屈服不同的是，貨艙區(qū)域屈曲也出現(xiàn)了不滿足情況。經(jīng)分析，主要原因是這些不滿足出現(xiàn)在水平彎矩或轉(zhuǎn)矩主導(dǎo)的情況下，而艙段有限元評(píng)估僅考核垂向彎矩，不包含水平彎矩和轉(zhuǎn)矩所致。

從整船疲勞結(jié)果來看，如機(jī)艙前端艙口圍角隅按初始設(shè)計(jì)就能滿足要求。而如縱向艙口圍后端肘板趾端、2甲板艙口角隅、平臺(tái)甲板艙口角隅等地方卻出現(xiàn)了疲勞問題，且疲勞壽命遠(yuǎn)小于要求值。分析認(rèn)為主要原因是描述性規(guī)范和艙段有限元計(jì)算評(píng)估無法對(duì)彎扭載荷作用下突變位置細(xì)節(jié)處的疲勞進(jìn)行有效評(píng)估。同時(shí)由于設(shè)計(jì)不同，使得每型船尺度不同，船體重量、裝載分布不一，從而經(jīng)歷的波浪誘導(dǎo)載荷也不同，引起突變位置局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度也不同，所以不可能每型船都在相同位置存在疲勞不滿足的情況。從整船疲勞結(jié)果也可以看出，艙口圍肘板趾端、內(nèi)殼開孔這些節(jié)點(diǎn)的疲勞主要由垂向波浪彎矩主導(dǎo)，艙口角隅這些節(jié)點(diǎn)的疲勞主要由水平彎矩或轉(zhuǎn)矩主導(dǎo)。

4 結(jié)論

1)相比UR S11，UR S11A生效后，中垂波浪彎矩絕對(duì)值明顯增大，對(duì)新造支線集裝箱船的結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。對(duì)于UR S11A非強(qiáng)制要求范圍外的結(jié)構(gòu)，特別是艏艉非貨艙區(qū)域結(jié)構(gòu)的屈服、屈曲強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視。

2)彎扭載荷作用下整船典型節(jié)點(diǎn)的疲勞問題也應(yīng)引起設(shè)計(jì)者的重點(diǎn)關(guān)注。通過對(duì)粗網(wǎng)格下疲勞節(jié)點(diǎn)的篩選，可以有效識(shí)別出疲勞風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，進(jìn)而保證整船結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。

3)整船分析彌補(bǔ)了規(guī)范校核的不足，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中小型支線集裝箱船整船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終校核和確認(rèn)。