基于細(xì)化分析的客滾船典型節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳熠畫，吳兆年，彭亞康，李文華,高明星

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

客滾船作為布置型船舶，滾裝設(shè)備眾多，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須服從布置需要和裝載要求，全船存在大量結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)，如車輛艙內(nèi)橫梁及縱桁端部、中間管弄間斷處、門窗開孔角隅、外板大開口處、甲板縱桁與艙壁相交處、各種十字交叉處等，所以其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度高、風(fēng)險(xiǎn)大。對(duì)于船體高應(yīng)力區(qū)域構(gòu)件的屈服強(qiáng)度評(píng)估，需要進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格有限元計(jì)算。對(duì)關(guān)鍵部位采用細(xì)網(wǎng)格建模，可以更好地反映應(yīng)力集中處應(yīng)力變化規(guī)律[1]，能夠提高計(jì)算精度。子模型法從粗網(wǎng)格模型計(jì)算結(jié)果中獲取邊界條件與載荷輸入[2]，一個(gè)子模型可包含多個(gè)細(xì)化點(diǎn)，計(jì)算效率高，廣泛應(yīng)用于應(yīng)力集中區(qū)域的屈服強(qiáng)度評(píng)估與節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)[3-6]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)客滾船高應(yīng)力區(qū)域主要關(guān)注疲勞強(qiáng)度問題[7-9]，對(duì)客滾船細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力評(píng)估研究較少?？紤]以某大型客滾船為研究對(duì)象，在全船有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估的基礎(chǔ)上，根據(jù)計(jì)算結(jié)果與船舶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)篩選出應(yīng)力集中區(qū)域和重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，建立子模型進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格計(jì)算分析。以中間管弄間斷處、外板間斷處、甲板縱桁與縱艙壁相交處為例，采用50 mm×50 mm網(wǎng)格尺寸進(jìn)行節(jié)點(diǎn)細(xì)化，通過子模型法計(jì)算以校核關(guān)鍵位置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。對(duì)初始節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行受力情況分析，比較增加板厚與優(yōu)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)兩種改進(jìn)方式對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的改善，探討合理的客滾船節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)形式。

1 計(jì)算模型

1.1 粗網(wǎng)格模型

對(duì)某客滾船應(yīng)用BV船級(jí)社軟件VeristarHull進(jìn)行模型前處理與全船有限元計(jì)算，用LR船級(jí)社軟件ShipRight進(jìn)行后處理?？蜐L船全船粗網(wǎng)格模型見圖1。

圖1 全船粗網(wǎng)格模型

1.2 子模型

在全船粗網(wǎng)格有限元模型計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)計(jì)算結(jié)果與船舶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)篩選出應(yīng)力集中區(qū)域和重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，以50 mm×50 mm尺寸進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格建模，并向外平滑過渡。

1.2.1 載荷與工況

參考BV船級(jí)社要求[10]，目標(biāo)船主要載荷分為船體梁總縱載荷、船體梁局部載荷和橫向載荷三大類，見表1。

表1 客滾船載荷

1.2.2 邊界條件

子模型法中關(guān)聯(lián)子模型邊界節(jié)點(diǎn)與全船模型對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，全船粗網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果會(huì)以節(jié)點(diǎn)位移的形式傳遞給子模型，提供約束條件。子模型邊界遠(yuǎn)離關(guān)注區(qū)域，子模型邊界選取后需要進(jìn)行試算驗(yàn)證。一子模型縱向范圍為FR108～FR135，垂向范圍為3甲板～7甲板，橫向范圍為左舷到右舷，選取圖2子模型邊界條件后，識(shí)別全船模型中對(duì)應(yīng)子模型邊界點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)見圖3所示。子模型與粗網(wǎng)格模型對(duì)應(yīng)區(qū)域的應(yīng)力值差距在1%以內(nèi)，保證子模型邊界選取的有效性。

圖3 全船模型中對(duì)應(yīng)子模型邊界點(diǎn)

1.2.3 應(yīng)力衡準(zhǔn)

高應(yīng)力區(qū)域通過50 mm×50 mm網(wǎng)格尺寸進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)細(xì)化和分析，參考BV船級(jí)社[10]規(guī)范需滿足以下兩個(gè)衡準(zhǔn)要求。

1)S×S(S為肋距)網(wǎng)格尺寸內(nèi)細(xì)網(wǎng)格的平均應(yīng)力需滿足粗網(wǎng)格應(yīng)力衡準(zhǔn)。

σVM-AV≤σMASTER

(1)

2)50mm × 50mm細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力需滿足衡準(zhǔn)。

σVM≤a·σMASTER

(2)

式中：σVM為50 mm×50 mm網(wǎng)格尺寸內(nèi)細(xì)網(wǎng)格的Von Mises應(yīng)力；a為位置分項(xiàng)安全系數(shù)，a=1.6(遠(yuǎn)離焊接區(qū)域)，a=1.4(靠近焊接區(qū)域)。

目標(biāo)船舶關(guān)注區(qū)域均使用AH36級(jí)高強(qiáng)度鋼，故細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力衡準(zhǔn)要求見表2。

表2 Von Mises應(yīng)力衡準(zhǔn)要求 MPa

2 典型節(jié)點(diǎn)分析

2.1 中間管弄間斷處

客滾船為滿足車輛轉(zhuǎn)彎要求，存在中間管弄間斷處(見圖4)，此處結(jié)構(gòu)不連續(xù)，又難以設(shè)置過渡結(jié)構(gòu)，存在嚴(yán)重的角點(diǎn)應(yīng)力集中問題。

圖4 中間管弄間斷處(平面圖)

如圖4所示，該節(jié)點(diǎn)橫向、縱向、垂向結(jié)構(gòu)不連續(xù)，受橫向載荷作用影響很大，全船有限元計(jì)算中應(yīng)力較大。

初始設(shè)計(jì)方案的板厚見圖5，橫艙壁板厚為18 mm,縱艙壁板厚為14 mm。在橫向載荷工況下,間斷的縱橫艙壁同時(shí)擠壓十字交叉點(diǎn),此處發(fā)生嚴(yán)重變形,最大應(yīng)力達(dá)到944 MPa，超過應(yīng)力許用值127%，見圖6。該角點(diǎn)位置應(yīng)力變化梯度很大，存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖5 初始方案板厚情況(單位：mm)

圖6 初始方案應(yīng)力分布(單位：MPa)

1)改進(jìn)方案1。將橫艙壁板厚局部嵌厚到42 mm, 縱艙壁板厚局部嵌厚到27 mm，如圖7所示。橫向載荷工況，縱橫艙壁間斷處十字交叉點(diǎn)最大應(yīng)力降至714 MPa如圖8所示，仍然超過應(yīng)力許用值75%。在板厚增加133%的情況下，應(yīng)力僅僅下降24%，表明此節(jié)點(diǎn)單純通過增加板厚已無法解決高應(yīng)力問題，需要改變結(jié)構(gòu)形式。

圖7 改進(jìn)方案1板厚情況(單位：mm)

圖8 改進(jìn)方案1應(yīng)力分布(單位：MPa)

通常情況下，類似結(jié)構(gòu)間斷點(diǎn)一般可以通過加設(shè)肘板，將高度集中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移出去。然而，中間管弄間斷處位于客滾船的車輛甲板，此處需要滿足車輛通行與轉(zhuǎn)彎要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)服從布置要求。該節(jié)點(diǎn)不能夠直接向外加設(shè)肘板，否則會(huì)影響車輛通行。

2)改進(jìn)方案2。將艙壁局部?jī)?nèi)凹，做成軟趾的形式，橫艙壁板厚為20 mm,縱艙壁局部嵌厚至36 mm，見圖9。在不影響車輛轉(zhuǎn)彎的情況下，通過改變節(jié)點(diǎn)形式將節(jié)點(diǎn)軟化，實(shí)現(xiàn)將高度集中的十字交叉處的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至肘板圓弧處，成功將最大應(yīng)力水平降至412 MPa，見圖10。

圖9 改進(jìn)方案2板厚情況(單位：mm)

圖10 改進(jìn)方案2應(yīng)力分布(單位：MPa)

此時(shí)最大應(yīng)力位于肘板圓弧處，最大應(yīng)力值較初始設(shè)計(jì)有56.4%的降低，能夠滿足衡準(zhǔn)的要求，方案2較初始設(shè)計(jì)及方案1均有明顯的改善。

2.2 外板大開口處

客滾船在舷側(cè)放置救生艇等設(shè)備，導(dǎo)致外板出現(xiàn)大開口，見圖11。外板大開口處開設(shè)了大型玻璃窗，進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)連續(xù)性，初始節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)形式，見圖12。此時(shí)玻璃窗距外板大開口處較近，在局部外板板厚為20 mm的情況下窗戶圓弧處應(yīng)力高達(dá)985 MPa，見圖13,超過應(yīng)力衡準(zhǔn)112%。

圖11 客滾船外板大開口處(側(cè)視圖)

圖12 初始節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)形式

圖13 初始節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)形式應(yīng)力水平(單位：MPa)

改進(jìn)方案1將窗口角隅嵌厚到36 mm，見圖14，應(yīng)力下降到695 MPa，見圖15。應(yīng)力水平仍然較大。在板厚增加80%的情況下，應(yīng)力僅僅下降29%，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不變的情況下，單純?cè)黾討?yīng)力水平較高位置處的板厚收效并不顯著，無法解決開孔角隅處應(yīng)力集中的問題。

圖14 改進(jìn)方案1板厚(單位：mm)

圖15 改進(jìn)方案1應(yīng)力水平(單位：MPa)

改進(jìn)方案2將外板過渡區(qū)域加大，圓弧過渡半徑從800 mm增加到3 500 mm,并布置加強(qiáng)筋，見圖16。

圖16 改進(jìn)方案2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)形式

加強(qiáng)筋距板邊較近,為了更好地模擬結(jié)構(gòu)布置型式，局部采用25 mm×25 mm的精細(xì)網(wǎng)格,見圖17，窗口角隅處最大應(yīng)力較原始設(shè)計(jì)方案降低58.2%降至412 MPa(應(yīng)力最大處4個(gè)單元應(yīng)力平均值)。另外，此節(jié)點(diǎn)位于客滾船外表面，在做節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)時(shí)應(yīng)注意在保證結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度的同時(shí)兼顧藝術(shù)美感[11]。

圖17 改進(jìn)方案2應(yīng)力水平(單位：MPa)

2.3 甲板縱桁與縱艙壁相交處

甲板縱桁與縱艙壁相交處存在“強(qiáng)”結(jié)構(gòu)與“弱”結(jié)構(gòu)的連接。該節(jié)點(diǎn)在縱桁端部有風(fēng)管開孔，初始節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)形式見圖18。甲板縱桁端部的開口減小了縱桁的有效承載面積，使得該區(qū)域剛度更弱，而且開孔邊緣通常存在應(yīng)力集中問題。一般情況下，車輛甲板要求甲板橫梁與縱桁端部不能開孔，但此處由于管系布置需要，縱桁端部開孔無法避免。初始設(shè)計(jì)方案中縱桁端部孔邊緣最大應(yīng)力達(dá)到701 MPa,縱桁與艙壁相交處最大應(yīng)力為520 MPa,見圖19。

圖18 初始節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)形式

圖19 初始節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)形式應(yīng)力水平(單位：MPa)

改進(jìn)方案1較初始設(shè)計(jì)，縱桁腹板板厚從20 mm嵌厚到36 mm，見圖20，開孔處最大應(yīng)力降至574 MPa，縱桁與艙壁相交處最大應(yīng)力為527 MPa，見圖21。板厚增加了80%，但最大應(yīng)力僅下降18.1%。對(duì)于縱桁與艙壁十字相交處，板厚也從18 mm增加到28 mm，增加了55.6%的板厚，但節(jié)點(diǎn)應(yīng)力基本沒有變化。

圖20 改進(jìn)方案1板厚情況(單位：mm)

圖21 改進(jìn)方案1應(yīng)力分布情況(單位：MPa)

為改善縱桁端部開孔處應(yīng)力集中問題，改進(jìn)方案2將縱桁開孔處增設(shè)環(huán)形面板，并將縱桁與艙壁相交處嵌厚到36 mm，見圖22。

圖22 改進(jìn)方案2結(jié)構(gòu)形式

該方案下，縱桁端部開孔處最大應(yīng)力為402 MPa,較初始方案降低42.7%，甲板縱桁與艙壁相交處最大應(yīng)力降至393 MP，較初始方案降低24.4%，見圖23。在甲板縱桁與縱艙壁相交處，嵌厚甲板縱桁端部時(shí)，要使相應(yīng)嵌厚相連接的縱艙壁良好過渡以避免相交處的高應(yīng)力。開孔增加環(huán)形面板后，孔邊緣從遠(yuǎn)離焊接區(qū)域轉(zhuǎn)變成靠近焊接區(qū)，應(yīng)力衡準(zhǔn)發(fā)生變化，從465 MPa降至407 MPa。

圖23 改進(jìn)方案2應(yīng)力情況(單位：MPa)

3 結(jié)論

在大多數(shù)情況下，增加板厚可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力水平的降低，但存在特殊節(jié)點(diǎn)不能夠單純地通過增加板厚來滿足設(shè)計(jì)中應(yīng)力衡準(zhǔn)的要求。通過合理地優(yōu)化節(jié)點(diǎn)形式，可以有效實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域的轉(zhuǎn)移，降低應(yīng)力最大值，提高結(jié)構(gòu)的使用壽命。

針對(duì)上述3種客滾船典型節(jié)點(diǎn)的細(xì)網(wǎng)格計(jì)算分析，可以得到以下結(jié)論。

1)在車輛甲板中間管弄間斷處，應(yīng)力高度集中且布置緊張時(shí)，可將艙壁局部?jī)?nèi)凹，適當(dāng)軟化節(jié)點(diǎn)。

2)外板大開口與門窗開口破壞了船體外板的結(jié)構(gòu)連續(xù)性，不利因素疊加處應(yīng)當(dāng)保證結(jié)構(gòu)充分過渡，避免開口角隅處的應(yīng)力集中。

3)強(qiáng)弱結(jié)構(gòu)突變處應(yīng)力水平較高,如甲板縱桁與縱艙壁相交處，當(dāng)此區(qū)域存在不可避免的開孔時(shí)應(yīng)做充分加強(qiáng)，必要時(shí)開孔可增加環(huán)形面板。