114 000 t原油船折角點疲勞強度直接計算分析

葉 旭，吳定凡，陸利平

(上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203)

0 引言

油船的疲勞強度一直是一個倍受關(guān)注的問題，其中底邊艙下折角連接處的疲勞強度需要利用有限元軟件進(jìn)行校核。114 000 t原油船是一艘阿芙拉型油船，滿足雙殼油船規(guī)范(CSR-OT)對疲勞強度的要求。2015年，散貨船油船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范(HCSR)正式生效。HCSR與CSR-OT在計算方法上差異較大，滿足CSR-OT的疲勞強度要求不一定能滿足HCSR的要求。張華對比了靈便型油船在CSR-OT與HCSR結(jié)構(gòu)規(guī)范計算之間的差異。石楊對比了HCSR和CSR-OT在疲勞計算載荷上的差異，論述了HCSR中底邊艙下折角處翼板和腹板上熱點應(yīng)力計算方法,但沒有對比分析不同規(guī)范下兩者疲勞年限的差異和影響因素。

本文在114 000 t油船已滿足CSR-OT疲勞強度的基礎(chǔ)上，引入了HCSR，對比了兩個規(guī)范在底邊艙下折角點處熱點疲勞年限的差異，并基于HCSR重點分析影響內(nèi)底板疲勞年限的幾個要素，以及有限元網(wǎng)格大小對計算結(jié)果的影響。

1 計算分析

1.1 計算模型

114 000 t油船疲勞計算局部有限元模型見圖1，底邊艙下折角點的有限元模型見圖2。CSR-OT和HCSR中疲勞計算工況參考具體的規(guī)范定義。

圖1 疲勞計算局部有限元模型

圖2 折角點疲勞有限元模型

1.2 計算結(jié)果對比

在CSR-OT計算中，疲勞年限比較難以滿足要求的是圖3中的熱點1、熱點2。按照CSR-OT的計算結(jié)果，熱點1和熱點2都滿足疲勞年限要求(設(shè)計使用年限為25 a)。同時基于HCSR，計算底邊艙折角區(qū)域的熱點1和熱點2的疲勞年限。兩者計算結(jié)果見表1。由表1可見，基于HCSR得到的熱點疲勞壽命要低于CSR-OT值，這說明新規(guī)范對油船下折角點的疲勞年限要求有所增加，計算更加嚴(yán)格。

熱點1—內(nèi)底板靠近貨油艙一側(cè)；

表1 按照不同規(guī)范計算的熱點疲勞年限單位：a

1.3 HCSR疲勞年限的影響要素分析

針對焊接形式的底邊艙下折角熱點，在HCSR中，疲勞強度主要和熱點附近的應(yīng)力范圍相關(guān)，因此研究不同板厚和焊腳長度對疲勞年限的影響，有助于設(shè)計者找到一個合理的結(jié)構(gòu)形式，從而滿足HCSR對疲勞強度的要求。

1.3.1 焊腳長度

焊腳長度的定義見圖4。CSR-OT和HCSR都考慮了焊腳長度對疲勞年限的影響。在HCSR中，焊腳的最大長度不能超過基礎(chǔ)板(如內(nèi)底板)的凈厚度。為了研究焊腳長度對疲勞年限的影響，以HCSR為計算依據(jù)，計算了不同焊腳長度下內(nèi)底板(熱點1)的疲勞年限，計算結(jié)果見表2。

圖4 焊腳長度定義

表2 不同焊腳下熱點1的疲勞年限

由表2可知：疲勞年限和焊角長度基本呈線性關(guān)系，增加焊角長度可以顯著增大疲勞年限，這也是針對焊接型節(jié)點的一個有效提高疲勞強度的方法。

1.3.2 內(nèi)底板板厚

從應(yīng)力上來說，增加內(nèi)底板的板厚會降低熱點的應(yīng)力，從而提高熱點的疲勞壽命。為此，分別將內(nèi)底板凈板厚設(shè)置為16、20、24、28、32 mm這5個值，并且不考慮焊腳長度的影響(焊腳長度定為0)。由于HCSR規(guī)定了熱點區(qū)域的疲勞網(wǎng)格大小要嚴(yán)格按照凈厚度乘以凈厚度，所以分別劃分5個有限元子模型進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表3。

表3 不同板厚下的疲勞年限

f

f

t

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t

n

內(nèi)底板厚度增加：一方面會提高板厚修改因子，增大累積損傷值，降低疲勞壽命；另一方面，熱點應(yīng)力會隨著板厚的增加而降低。兩者效果相反，所以會出現(xiàn)在某些情況下增加板厚也無法繼續(xù)提高疲勞壽命，這時就需要從結(jié)構(gòu)形式上來改進(jìn)。

1.3.3 雙層底實肋板插厚區(qū)域板厚

t

t

t

表4 不同tw的疲勞年限

t

t

1.3.4 網(wǎng)格大小

CSR-OT和HCSR均要求疲勞網(wǎng)格的大小要和評估點的凈厚度值保持一致。但是，實際操作中需要劃分多個模型來完成疲勞強度的計算。另外，疲勞計算需要多次調(diào)整板厚，這就導(dǎo)致了疲勞網(wǎng)格需要進(jìn)行多次調(diào)整。為此，本文研究網(wǎng)格大小對疲勞壽命的影響。

標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)底板凈厚度設(shè)為20 mm，標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格大小為20 mm×20 mm。將內(nèi)底板網(wǎng)格大小從12 mm依次增大到32 mm，板厚保持20 mm不變，劃分6個細(xì)化模型進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表5。

表5 不同網(wǎng)格大小下內(nèi)底板的疲勞年限

由表5可知：內(nèi)底板凈板厚為20 mm時的疲勞年限為18.1 a；當(dāng)網(wǎng)格尺寸減小時，疲勞年限還是18 a左右；當(dāng)網(wǎng)格尺寸從20 mm增大時，疲勞年限依次增加?？梢?，計算結(jié)果是不保守的。因此，可以得出結(jié)論：在做實際疲勞分析時，網(wǎng)格尺寸可以比分析位置的板厚小，這樣對計算結(jié)果幾乎沒有影響，但若網(wǎng)格尺寸過大，計算結(jié)果不保守。

2 HCSR肘板趾端的疲勞強度

HCSR相較于CSR-OT，針對底邊艙下折角，增加了內(nèi)底板嵌接肘板(熱點6)的疲勞計算要求，見圖5。114 000 t油船的原始設(shè)計見圖6，設(shè)計成2塊不同形式的肘板。在HCSR中，熱點6的疲勞評估方法不同于前面的內(nèi)底板。按照規(guī)范要求：評估區(qū)域的網(wǎng)格大小為10 mm×10 mm，在熱點位置處使用梁單元來獲取熱點的應(yīng)力，梁單元的高度和所分析板的厚度相同，寬度方向可以忽略。細(xì)節(jié)有限元模型見圖7。

圖5 熱點6位置

圖6 肘板形式

圖7 熱點6的疲勞網(wǎng)格模型和插值方向

由表6可知：肘板1和肘板2在垂直于內(nèi)底板方向(方向2)的疲勞強度容易滿足25 a設(shè)計年限的規(guī)范要求，但在沿著內(nèi)底板方向(方向1)，肘板1的疲勞強度則不滿足規(guī)范要求，這也說明HCSR規(guī)范對油船疲勞強度要求更加嚴(yán)格。

表6 疲勞年限

為了提高肘板1的疲勞壽命，比較有效的方法有2個。

(1)沿內(nèi)底板方向進(jìn)行局部插厚，其模型見圖8。將內(nèi)底板板厚由原始設(shè)計的17.8 mm(凈厚度)提高到25 mm(凈厚度)后，肘板1的疲勞年限已經(jīng)滿足要求。需要注意的是，內(nèi)底板插厚會導(dǎo)致肘板沿2方向的疲勞年限由47 a降低到41 a，帶來負(fù)作用，所以也不能無限制地增加板厚。

圖8 內(nèi)底板局部插厚

(2)在不改變板厚的情況下，可以修改肘板1的形式，見圖9。將原始設(shè)計中(圖中虛線)結(jié)構(gòu)形式修改為實線部分，肘板1趾端的疲勞年限由20 a增加到42 a。這說明結(jié)構(gòu)形式的修改對熱點6的疲勞影響較大。

圖9 肘板形式修改

3 結(jié)論

(1)針對焊接型底邊艙下折角點，HCSR要比CSR-OT要求更嚴(yán)格，疲勞年限更難滿足要求。

(2)在HCSR體系下，可以從焊腳長度、板厚方面對焊接型熱點進(jìn)行加強。一般來說，焊腳長度越大，疲勞年限越長，并且改善效果相當(dāng)明顯。

(3)對于疲勞年限計算而言，有限元網(wǎng)格的大小可以比評估區(qū)域的凈板厚要小，這對疲勞年限計算結(jié)果影響不大。但是網(wǎng)格不能超過評估區(qū)域的凈板厚，否則會導(dǎo)致計算結(jié)果不保守。 (4)針對HCSR所增加的內(nèi)底板背肘板區(qū)域的熱點疲勞，原始的設(shè)計不一定能滿足規(guī)范要求。沿著內(nèi)底板方向的疲勞強度會比垂直于內(nèi)底板方向的疲勞強度更低。因此，可以通過插厚內(nèi)底板和優(yōu)化肘板形式來提高該熱點的疲勞強度。