基于新舊共同規(guī)范的主要支撐構(gòu)件曲形面板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對比分析

朱培培，盛利賢，孫宇

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

對于主要支撐構(gòu)件，由曲率引起的徑向載荷會(huì)導(dǎo)致主要支撐構(gòu)件橫截面上的應(yīng)力分布與基本彎曲理論預(yù)測值相比產(chǎn)生巨大差異，因此《散貨船油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)對用于主要支撐構(gòu)件凈實(shí)際剖面模數(shù)計(jì)算和有限元分析的梁單元提出了有效面積的概念，即需對主要支撐構(gòu)件曲形面板實(shí)際橫截面面積做相應(yīng)折減。在2020年7月1日前的共同規(guī)范(原《規(guī)范》)中，當(dāng)尺度比達(dá)到一定數(shù)值時(shí)有效面積才開始折減被認(rèn)為是不合理的，因此2020年7月1日后的共同規(guī)范(新《規(guī)范》)根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果對該部分計(jì)算公式進(jìn)行了更新。為分析《規(guī)范》修改對主要支撐構(gòu)件曲形面板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，對《規(guī)范》修改前后主要支撐構(gòu)件曲形面板的有效系數(shù)變化情況進(jìn)行對比，通過實(shí)例說明《規(guī)范》修改對主要支撐構(gòu)件曲形面板有效性的影響，并根據(jù)面積折減結(jié)果提出相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施與結(jié)構(gòu)減重建議。

1 新舊《規(guī)范》主要支撐構(gòu)件曲形面板有效系數(shù)對比

主要支撐構(gòu)件曲形面板有對稱和非對稱兩種，見圖1。

圖1 對稱與非對稱曲形面板結(jié)構(gòu)示意

《規(guī)范》規(guī)定，對主要支撐構(gòu)件曲形面板，用于凈實(shí)際剖面模數(shù)計(jì)算和有限元分析的梁單元的實(shí)際有效凈面積為

=

(1)

式中：為面板有效系數(shù)。

原《規(guī)范》和新《規(guī)范》曲形面板有效系數(shù)與曲形面板結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)間的關(guān)系見圖2、3。為原《規(guī)范》的曲形面板有效系數(shù)，為新《規(guī)范》的曲形面板有效系數(shù)。

圖2 非對稱曲形面板新、舊《規(guī)范》有效系數(shù)對比

圖3 對稱曲形面板新、舊《規(guī)范》有效系數(shù)對比

圖2、3中橫軸為系數(shù)。

(2)

式中：為寬度，對于對稱面板=05(-)；對于非對稱面板：=，為面板的寬度，為腹板凈厚度；為曲形面板中面處半徑，為面板凈厚度，非對稱面板計(jì)算時(shí)取值不大于。

從圖2、3可以看出：

1)原《規(guī)范》中，當(dāng)系數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)有效面積開始折減，新《規(guī)范》對此進(jìn)行了修正。

2)曲形面板的有效性與面板寬度成反比，面板寬度越大，有效系數(shù)越?。慌c曲形面板的半徑成正比，半徑越大，有效系數(shù)越大；與面板凈厚度成正比，凈厚度越大，有效系數(shù)越大，但非對稱面板的凈厚度不大于腹板凈厚度，因而非對稱面板加大面板厚度對有效性影響不大。

3)對于非對稱曲形面板，新《規(guī)范》中的有效系數(shù)較原《規(guī)范》基本都是減小趨勢，并且減小較多，新《規(guī)范》中非對稱面板的有效性是非常有限的，尺度比達(dá)到一定數(shù)值后有效系數(shù)僅0.2左右。

4)對于對稱曲形面板，當(dāng)小于1.17時(shí)，新《規(guī)范》曲形面板有效系數(shù)小于原《規(guī)范》值，當(dāng)大于1.17時(shí)，新《規(guī)范》曲形面板有效系數(shù)大于原規(guī)范值。

2 實(shí)例分析

以某21萬t級(jí)散貨船和某AFRMAX型油船中橫剖面為例，對比《規(guī)范》修改前、后主要支撐構(gòu)件曲形面板有效系數(shù)的變化情況。

基于施工便利性，原散貨船強(qiáng)框處曲形面板設(shè)計(jì)采用非對稱形式。散貨船中橫剖面頂邊艙與底邊艙大開孔處曲形面板有效系數(shù)變化見表1。

表1 散貨船主要支撐構(gòu)件非對稱曲形面板有效系數(shù)

實(shí)例AFRMAX型油船中橫剖面強(qiáng)框均采用對稱曲形面板(見圖4)，規(guī)范修改前后各位置曲形面板有效系數(shù)變化見表2。

表2 ARAMAX油船主要支撐構(gòu)件對稱曲形面板有效系數(shù)

圖4 散貨船油船中橫剖面曲形面板計(jì)算節(jié)點(diǎn)示意

實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明，散貨船頂邊艙底邊艙大開孔處非對稱曲形面板有效系數(shù)由原0.5左右降到0.2左右，有效性大幅降低。AFRMAX油船除底邊艙大開孔，其余位置規(guī)范修改前的有效系數(shù)均為1，而規(guī)范修改后各位置的有效系數(shù)均在減小，但減小量不超過20%。

3 補(bǔ)強(qiáng)措施

假設(shè)原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剛好滿足規(guī)范衡準(zhǔn)要求，那么面板有效面積按照新規(guī)范折減后的主要支撐構(gòu)件強(qiáng)度必然不能滿足衡準(zhǔn)要求，因此需要對原設(shè)計(jì)采取補(bǔ)強(qiáng)措施。

3.1 非對稱面板補(bǔ)強(qiáng)

對于采用非對稱曲形面板的主要支撐構(gòu)件，在原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不改變的情況下，可采用在面板和腹板相交處設(shè)置如圖5所示的徑向肘板。

圖5 設(shè)置徑向肘板的主要支撐構(gòu)件幾何參數(shù)示意

規(guī)范對徑向肘板支撐的曲形面板的有效凈面積提出了額外的計(jì)算公式，根據(jù)公式，對于上述散貨船實(shí)例中的非對稱曲形面板主要支撐構(gòu)件，在原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不改變的情況下，當(dāng)各位置所設(shè)的徑向肘板的間距不大于表3中值時(shí)，曲形面板有效系數(shù)可達(dá)到《規(guī)范》修改前的水平，實(shí)例加強(qiáng)結(jié)果見圖6。

表3 最大徑向肘板間距

圖6 設(shè)置徑向肘板后的主要支撐構(gòu)件

從圖6可見，設(shè)置徑向肘板雖然可以使得非對稱曲形面板有效性增強(qiáng)，但同時(shí)也大大增加了零件數(shù)。初步估算，該21萬t級(jí)散貨船，預(yù)計(jì)全船共增加零件數(shù)約4 000個(gè)，結(jié)構(gòu)重量增加約25 t。因此，不建議采用該方法。

對新設(shè)計(jì)的船舶，考慮將非對稱面板改為對稱面板。根據(jù)規(guī)范要求，主要支撐構(gòu)件曲形面板圓弧處僅需滿足粗網(wǎng)格衡準(zhǔn)要求，但考慮細(xì)網(wǎng)格能更加準(zhǔn)確反映應(yīng)力分布情況，圖7給出了上述頂邊艙大開孔R(shí)1位置處細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力結(jié)果，曲形面板圓弧處網(wǎng)格大小采用50 mm×50 mm，在結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，將非對稱面板改為對稱面板，應(yīng)力結(jié)果見圖8。

圖7 非對稱曲形面板主要支撐構(gòu)件應(yīng)力結(jié)果

圖8 對稱曲形面板主要支撐構(gòu)件應(yīng)力結(jié)果

從表4的細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力結(jié)果可以看出：非對稱曲形面板主要支撐構(gòu)件的腹板和面板的最大應(yīng)力均高于對稱曲形面板主要支撐構(gòu)件；非對稱曲形面板主要支撐構(gòu)件最大應(yīng)力出現(xiàn)在腹板上，且數(shù)值相對較大，而對稱曲形面板主要支撐構(gòu)件最大應(yīng)力出現(xiàn)在面板上；非對稱曲形面板主要支撐構(gòu)件僅在腹板與面板相交處應(yīng)力結(jié)果較大，而對稱曲形面板主要支撐構(gòu)件的面板整體應(yīng)力均較大。

表4 非對稱與對稱曲形面板細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力對比 MPa

對上述細(xì)網(wǎng)格結(jié)果按面積進(jìn)行加權(quán)平均，得到粗網(wǎng)格尺寸下主要支撐構(gòu)件曲形面板和腹板的最大平均應(yīng)力，結(jié)果見表5。

表5 非對稱與對稱曲形面板粗網(wǎng)格應(yīng)力對比 MPa

可以看出：采用非對稱曲形面板的主要支撐構(gòu)件，腹板應(yīng)力遠(yuǎn)大于面板應(yīng)力，而采用對稱面板后，腹板上的應(yīng)力會(huì)明顯降低，但面板本身應(yīng)力水平將大大提高，并超出許用要求，面板尺寸需加大。

3.2 對稱面板補(bǔ)強(qiáng)

實(shí)例ARAMAX油船曲形面板主要支撐構(gòu)件為對稱形式，新《規(guī)范》中各位置處的曲形面板有效系數(shù)均小于原《規(guī)范》值，假設(shè)原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剛好滿足《規(guī)范》衡準(zhǔn)要求，則面板尺寸需加大。根據(jù)《規(guī)范》有效面積折減公式，在滿足結(jié)構(gòu)布置要求和面板尺度比協(xié)調(diào)的情況下，盡可能將面板厚度做大，寬度減小，并且適當(dāng)做大曲形面板的半徑，可使得主要支撐構(gòu)件曲形面板有效系數(shù)最大化，提高材料利用率。

油船實(shí)例中，將兩種評(píng)估方法進(jìn)行對比：利用新《規(guī)范》折減公式對粗網(wǎng)格面板梁單元進(jìn)行折減，得到粗網(wǎng)格應(yīng)力結(jié)果，與細(xì)網(wǎng)格加權(quán)平均得到的粗網(wǎng)格應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行對比?？紤]對稱曲形面板主要支撐構(gòu)件較大應(yīng)力出現(xiàn)在面板上，因此僅對比面板最大應(yīng)力結(jié)果，兩種評(píng)估方法下面板的最大應(yīng)力結(jié)果見表6。

從表6可見：對于曲形面板，細(xì)網(wǎng)格加權(quán)平均得到的粗網(wǎng)格應(yīng)力結(jié)果普遍小于曲形面板按新規(guī)范折減后的粗網(wǎng)格直接計(jì)算結(jié)果。目前，采用細(xì)網(wǎng)格加權(quán)平均得到粗網(wǎng)格應(yīng)力結(jié)果的方法是獲得船級(jí)社認(rèn)可的，因此，對于粗網(wǎng)格直接計(jì)算結(jié)果較大的區(qū)域，可考慮采用細(xì)網(wǎng)格進(jìn)一步分析，來控制結(jié)構(gòu)重量增加，節(jié)約建造成本。

表6 2種評(píng)估方法下各位置曲形面板最大應(yīng)力結(jié)果

4 結(jié)論

1)對于非對稱曲形面板，新規(guī)范中曲形面板有效系數(shù)大幅降低，尺度比達(dá)到一定數(shù)值后有效系數(shù)僅0.2左右；對于對稱曲形面板，實(shí)例中各位置主要支撐構(gòu)件曲形面板有效面積亦均在減小，但減小量不超過20%。

2)對于非對稱曲形面板，在原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不變的情況下可考慮設(shè)置徑向肘板，但該方法零件數(shù)增加較多；對于新設(shè)計(jì)的船舶建議將主要支撐構(gòu)件非對稱曲形面板改為對稱曲形面板，但需加大面板尺寸。

3)在滿足結(jié)構(gòu)布置要求和面板尺度比協(xié)調(diào)的情況下，盡可能將面板厚度做大，寬度減小，并且適當(dāng)做大曲形面板的半徑，可使得曲形面板有效系數(shù)最大化，提高材料利用率。

4)對于粗網(wǎng)格直接計(jì)算結(jié)果較大的區(qū)域，可考慮采用細(xì)網(wǎng)格加權(quán)平均得到粗網(wǎng)格應(yīng)力結(jié)果的方法來控制結(jié)構(gòu)重量增加，節(jié)約建造成本。