中小型化學(xué)品船甲板強(qiáng)橫梁端部節(jié)點(diǎn)形式

黃東偉，陸月，潘甜

(1.中國船級(jí)社 廣州審圖中心，廣州 510235；2.武漢市船舶檢驗(yàn)所，武漢 430000)

近年來，沿海省際化學(xué)品運(yùn)輸需求持續(xù)增長，2019年完成沿海省際化學(xué)品運(yùn)輸量3 200萬t，同比增長19.4%[1]。而近年來中小型液貨船船隊(duì)船齡增加，優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高中小型化學(xué)品船的經(jīng)濟(jì)性和使用便利性，成為當(dāng)務(wù)這急。為減少化學(xué)品貨物帶來的結(jié)構(gòu)腐蝕以及貨艙洗艙作業(yè)方便，化學(xué)品船的甲板骨架包括強(qiáng)橫梁均采用外翻設(shè)置，船級(jí)社規(guī)范一般要求外翻強(qiáng)橫梁的端部過渡至內(nèi)殼以外。而中小型化學(xué)品船甲板空間有限，甲板強(qiáng)橫梁端部向舷側(cè)過渡后已無法布置艉部生活區(qū)至艏部的工作和檢查通道。為在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許的情況下合理設(shè)計(jì)強(qiáng)橫梁端部節(jié)點(diǎn)，尋求有利的甲板布置，考慮以某載重量6 000 t 載重噸化學(xué)船為例，在總體載荷和局部載荷，包括垂向彎矩、甲板上浪、舷外水壓力、貨物等載荷的作用下進(jìn)行艙段有限元計(jì)算，對(duì)甲板強(qiáng)橫梁端部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化分析，尋求可行的甲板強(qiáng)橫梁端部節(jié)點(diǎn)形式。

1 規(guī)范要求及常規(guī)節(jié)點(diǎn)形式局限

甲板強(qiáng)橫梁主要為甲板縱骨提供端部支撐，同時(shí)與甲板下的橫向強(qiáng)構(gòu)件共同構(gòu)成橫向強(qiáng)框架，為主船體提供橫向強(qiáng)度。但外翻甲板強(qiáng)橫梁端部沒有有效的剛性固定，端部的設(shè)計(jì)主要考慮結(jié)構(gòu)的延續(xù)性，避免結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)產(chǎn)生過大的應(yīng)力水平。小于150 m的中小型化學(xué)品船無需進(jìn)行艙段有限元計(jì)算，相關(guān)船級(jí)社的規(guī)范對(duì)強(qiáng)橫梁端部有一般性的要求，要求外翻的甲板強(qiáng)橫梁應(yīng)向舷側(cè)延伸至內(nèi)殼縱艙壁之外，且端部應(yīng)良好過渡[2-4]。常規(guī)的節(jié)點(diǎn)形式見圖1。

圖1 外翻強(qiáng)橫梁端部常規(guī)設(shè)計(jì)形式

中小型化學(xué)品船甲板空間有限，常規(guī)設(shè)計(jì)中，甲板已無空間布置生活區(qū)至艏部的工作和檢查通道，需要跨越甲板強(qiáng)橫梁設(shè)置縱向走道和欄桿，見圖2。

圖2 跨越式甲板通道布置

跨越式的通道布置缺陷明顯。

1)自重增加。以某6 000 t化學(xué)品船為例，一舷通道長約70 m，兩舷共140 m，含角鋼、踏步、格柵、欄桿扶手總重約10 t。

2)修理成本高。日常運(yùn)營中主甲板兩側(cè)被海浪頻繁拍打，由于所裝化學(xué)品貨物的特殊性，跨越式的甲板通道腐蝕嚴(yán)重，每次塢修都要面臨大面積維修及更換工作，基本每4～5年更換一次。

3)日常保養(yǎng)困難。化學(xué)品船動(dòng)火作業(yè)必須洗艙，且需要通風(fēng)測(cè)爆合格[5]，洗艙水還需要專業(yè)公司接收。光一次洗艙作業(yè)加洗艙水接收的費(fèi)用在10萬元左右。有時(shí)因檢查通道部分角鋼或欄桿損壞，貨主或碼頭要求修理完畢后才能繼續(xù)營運(yùn)，這期間船期損失更是不可估量。

以某載重量6 000 t的化學(xué)品船(主尺度見表1)1/2+1+1/2艙段進(jìn)行有限元計(jì)算，并對(duì)不同的甲板強(qiáng)橫梁端部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化分析，旨在尋求替代節(jié)點(diǎn)形式，優(yōu)化甲板布置。該船主尺度為船長105 m,型寬17.6 m,型深8.8 m,結(jié)構(gòu)吃水6.4 m。

2 計(jì)算模型

為獲得可能裝載工況下甲板強(qiáng)橫梁端部節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布，參照150 m以上化學(xué)品船的計(jì)算方法建立艙段模型[6]，考慮中小船型的尺度和受載情況，模型的縱向范圍僅覆蓋1/2個(gè)貨艙+1個(gè)貨艙+1/2個(gè)貨艙長度，為反映強(qiáng)橫梁端部節(jié)點(diǎn)處的真實(shí)應(yīng)力分布。對(duì)強(qiáng)橫梁端部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化分析，細(xì)網(wǎng)格區(qū)域中的板和骨材均使用殼單元建模，網(wǎng)格尺寸不大于50×50 mm，有限元計(jì)算模型見圖3。

圖3 有限元計(jì)算模型

計(jì)算工況采用表1所示工況[7]，各工況考慮相應(yīng)的總體載荷和局部載荷，包括垂向彎矩、甲板上浪、舷外水壓力、貨艙內(nèi)貨物載荷[8]。

表1 計(jì)算工況

3 常規(guī)節(jié)點(diǎn)形式

常規(guī)的節(jié)點(diǎn)型式：甲板強(qiáng)橫梁端部延伸至內(nèi)殼以外，并逐漸向舷側(cè)過渡，為減小應(yīng)力集中，在甲板面終止處一般設(shè)置軟趾結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型中軟趾跨越臨近的甲板縱骨，面板削斜向趾端過渡，削斜角度為15°，強(qiáng)橫梁在內(nèi)殼平面內(nèi)設(shè)置防傾肘板。常規(guī)的甲板強(qiáng)橫梁端部節(jié)點(diǎn)細(xì)化模型見圖4(嵌于艙段模型內(nèi)，僅局部顯示)。

圖4 常規(guī)節(jié)點(diǎn)細(xì)化模型

使用Patran / Nastran軟件建立模型，按各計(jì)算工況施加相應(yīng)的總體載荷和局部載荷并進(jìn)行求解，為對(duì)比不同節(jié)點(diǎn)形式為甲板強(qiáng)橫梁端部提供的剛性支撐和與舷側(cè)橫隔板形成連續(xù)強(qiáng)框架的有效性，考察節(jié)點(diǎn)處強(qiáng)框架在橫向平面內(nèi)的剛性(變形)，同時(shí)考察細(xì)化范圍內(nèi)主要船體構(gòu)件的應(yīng)力水平，常規(guī)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果見圖5～8。

圖5 常規(guī)節(jié)點(diǎn)橫向相對(duì)變形

考察強(qiáng)框架在甲板強(qiáng)橫梁端部節(jié)點(diǎn)處的橫向相對(duì)變形，所有工況在橫向平面內(nèi)的最大變形量為23.1 mm。

圖6 常規(guī)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)橫梁端部應(yīng)力水平

強(qiáng)橫梁端部趾端存在較大的應(yīng)力集中，特別是面板削斜過渡終止于腹板的連接點(diǎn)，應(yīng)力極值為310 MPa。

圖7 常規(guī)節(jié)點(diǎn)，雙舷側(cè)隔板角點(diǎn)應(yīng)力水平

雙舷側(cè)橫隔板與甲板強(qiáng)橫梁腹板在內(nèi)殼板的相交角點(diǎn)處，也存在較大的應(yīng)力集中，應(yīng)力極值為215 MPa，這是強(qiáng)橫梁外翻導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的。

圖8 常規(guī)節(jié)點(diǎn)，甲板、內(nèi)外殼板應(yīng)力水平

主甲板、外板與內(nèi)殼板等縱向主要構(gòu)件承受總縱彎曲，總體應(yīng)力水平較高，主甲板在延伸肘板與防傾肘板的趾端處，外板、內(nèi)殼板在與雙舷側(cè)橫隔板的連接角點(diǎn)處，存在一定的應(yīng)力集中，應(yīng)力極值為172 MPa。

4 替代節(jié)點(diǎn)型式

為釋放甲板空間，取消強(qiáng)橫梁端部內(nèi)殼以外的過渡延伸，考慮2種替代節(jié)點(diǎn)形式：①在內(nèi)殼平面內(nèi)將原防傾肘板適當(dāng)增大作為強(qiáng)橫梁端部的支持肘板；②直接在內(nèi)殼平面內(nèi)設(shè)置縱向連續(xù)桁材作為強(qiáng)橫梁端部的支撐構(gòu)件。計(jì)算模型中端部肘板及縱向連續(xù)桁材尺度均取為甲板強(qiáng)橫梁尺寸，其中端部肘板縱向臂長取為2個(gè)肋位。

4.1 設(shè)置端部支持肘板

取消內(nèi)殼以外的過渡延伸，設(shè)置端部支持肘板的節(jié)點(diǎn)細(xì)化模型見圖9。

圖9 端部支持肘板節(jié)點(diǎn)細(xì)化模型

計(jì)算結(jié)果見圖10～13。

圖10 端部支持肘板節(jié)點(diǎn)橫向相對(duì)變形

強(qiáng)框架在甲板強(qiáng)橫梁端部節(jié)點(diǎn)處的橫向相對(duì)變形未有明顯變化，變形最大值為23.7 mm。

圖11 端部支持肘板節(jié)點(diǎn)強(qiáng)橫梁端部應(yīng)力水平

取消端部延伸肘板，橫向強(qiáng)橫梁端部應(yīng)力水平未見明顯變化，端部肘板的趾端與常規(guī)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)一樣，存在應(yīng)力集中，應(yīng)力極值為193 MPa。

圖12 端部支持肘板節(jié)點(diǎn)隔板角點(diǎn)應(yīng)力水平

取消端部延伸肘板后，雙舷側(cè)橫隔板與甲板強(qiáng)橫梁腹板在內(nèi)殼板處的相交角點(diǎn)應(yīng)力水平略有升高，但僅由215 MPa上升至232 MPa，沒有實(shí)質(zhì)性變化?？蛇m當(dāng)增加局部板厚。

圖13 端部支持肘板節(jié)點(diǎn)甲板、內(nèi)外殼應(yīng)力水平

主甲板、外板與內(nèi)殼板等縱向主要構(gòu)件承受總縱彎曲，應(yīng)力水平未因節(jié)點(diǎn)的型式產(chǎn)生變化，應(yīng)力極值為166 MPa。

4.2 設(shè)置端部連續(xù)縱桁

取消內(nèi)殼以外的過渡延伸，設(shè)置端部支撐縱桁的節(jié)點(diǎn)細(xì)化模型見圖14。

圖14 端部支撐縱桁節(jié)點(diǎn)細(xì)化模型

計(jì)算結(jié)果見圖15～18。

圖15 端部支撐縱桁節(jié)點(diǎn)橫向相對(duì)變形

強(qiáng)框架在甲板強(qiáng)橫梁端部節(jié)點(diǎn)處的橫向相對(duì)變形未有明顯變化，變形最大值為23 mm。

圖16 端部支撐縱桁節(jié)點(diǎn)強(qiáng)橫梁端部應(yīng)力水平

從應(yīng)力水平的分布可以看出，取消端部延伸肘板，設(shè)置連續(xù)縱桁后，縱桁參與總縱強(qiáng)度，同時(shí)為橫向強(qiáng)框架提供一定的支撐，橫向強(qiáng)框平面內(nèi)局部應(yīng)力升高，應(yīng)力極值為153 MPa。

圖17 端部支撐縱桁節(jié)點(diǎn)隔板角點(diǎn)應(yīng)力水平

雙舷側(cè)橫隔板與甲板強(qiáng)橫梁腹板在內(nèi)殼板處的相交角點(diǎn)應(yīng)力水平與設(shè)置端部支持肘板的節(jié)點(diǎn)一致，同常規(guī)節(jié)點(diǎn)相比略有升高，其應(yīng)力極值為230 MPa，沒有實(shí)質(zhì)性變化?？蛇m當(dāng)增加局部板厚。

圖18 端部支撐縱桁節(jié)點(diǎn)甲板、內(nèi)外殼應(yīng)力水平

主甲板、外板與內(nèi)殼板等縱向主要構(gòu)件承受總縱彎曲，由于在甲板上增加了連續(xù)縱桁，增加了橫剖面抵抗總縱彎曲能力，總體應(yīng)力水平略有下降，應(yīng)力極值為157 MPa。

5 不同節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)比

不同設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果匯總于表2。

表2 不同形式節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果匯總

由表2可見，不同節(jié)點(diǎn)型式橫向相對(duì)變形及整體應(yīng)力水平?jīng)]有明顯變化，取消端部延伸肘板后，避免了橫向載荷在強(qiáng)橫梁端部趾端由于面板與腹板終止時(shí)結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的應(yīng)力集中，雙舷側(cè)橫隔板與甲板強(qiáng)橫梁腹板在內(nèi)殼板處的相交角點(diǎn)應(yīng)力水平略有升高，但沒有實(shí)質(zhì)變化。設(shè)置端部支撐縱桁后各構(gòu)件的總體應(yīng)力水平稍有降低，且橫梁端部結(jié)構(gòu)連續(xù)性較好未有明顯應(yīng)力集中。

6 結(jié)論

1) 根據(jù)艙段有限元計(jì)算和端部節(jié)點(diǎn)的細(xì)化分析，由于甲板強(qiáng)橫梁外翻，未能與甲板下的雙舷側(cè)橫隔板形成有效連續(xù)的強(qiáng)框架，無論哪種形式的端部節(jié)點(diǎn)，在內(nèi)殼板與甲板強(qiáng)橫梁相交的角點(diǎn)處，應(yīng)力水平都較高。對(duì)于中小型化學(xué)品船，傳統(tǒng)的舷側(cè)延伸設(shè)計(jì)由于延伸距離有限，不能很好地降低此處應(yīng)力，同時(shí)強(qiáng)橫梁端部趾端由于面板與腹板終止時(shí)的結(jié)構(gòu)不連續(xù)，引起明顯應(yīng)力集中，船舶運(yùn)營中應(yīng)多關(guān)注這些位置的結(jié)構(gòu)。

2) 取消甲板強(qiáng)橫梁端部的橫向過渡延伸，設(shè)置端部縱向支撐肘板不會(huì)引起橫向強(qiáng)度的弱化，而設(shè)置端部支撐縱桁有利于結(jié)構(gòu)的延續(xù)性，整體應(yīng)力水平略有下降。可據(jù)此更改常規(guī)節(jié)點(diǎn)型式，釋放舷側(cè)甲板空間作為甲板通道。已有船級(jí)社接受端部設(shè)置支撐肘板的節(jié)點(diǎn)型式并用于實(shí)船建造，見圖19。

圖19 端部設(shè)置支撐肘板節(jié)點(diǎn)型式

3) 對(duì)小于150 m的中小型化學(xué)品船，規(guī)范不要求進(jìn)行艙段有限元計(jì)算，僅為了甲板強(qiáng)橫梁端部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行艙段有限元和細(xì)化分析會(huì)產(chǎn)生過多的計(jì)算量，可進(jìn)一步研究，確定根據(jù)甲板強(qiáng)橫梁尺寸、內(nèi)殼及舷側(cè)橫隔板厚度等相關(guān)因素直接決定端部縱向肘板或縱向縱桁尺度的合理計(jì)算公式。