客滾船橫向半艙壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析

葉旭,張敏健,徐蓉

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院,上海 201203)

對(duì)于擁有多層長(zhǎng)上層建筑的客滾船而言,當(dāng)船舶發(fā)生橫搖時(shí),由于受到不對(duì)稱風(fēng)浪載荷和慣性的影響,將產(chǎn)生較大的橫向彎矩,引起船舶橫向撓曲變形。橫向撓曲強(qiáng)度主要靠橫向強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)來(lái)保證,在上層建筑舷側(cè)強(qiáng)肋骨與甲板強(qiáng)橫梁連接處的區(qū)域?qū)?huì)出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)。在船寬方向不封閉,大部分為開口設(shè)置,只有在靠近舷側(cè)區(qū)域留有橫向半艙壁結(jié)構(gòu)。橫向半艙壁結(jié)構(gòu)不僅承受甲板上貨物傳遞的垂向載荷,還在抵抗橫搖變形上大有作用,并起到降低橫向肋骨尺寸的作用。為了提高橫向強(qiáng)框結(jié)構(gòu)的抗彎和抗剪能力,客滾船上該區(qū)域往往設(shè)置橫向半艙壁結(jié)構(gòu),以解決橫向撓曲變形問(wèn)題。目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于客滾船橫向半艙壁結(jié)構(gòu)的研究有在客滾船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,上層建筑圍壁采用壓筋板的方式來(lái)減重,但對(duì)其未進(jìn)行強(qiáng)度分析[1];對(duì)不同截面形狀鋁合金加筋板的極限強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算比較,得出了可用于替代原有鋼質(zhì)加筋板的設(shè)計(jì)方案[2];對(duì)某大型客滾船艙段進(jìn)行屈曲強(qiáng)度和熱點(diǎn)疲勞直接計(jì)算[3],但沒(méi)有分析橫向艙壁結(jié)構(gòu)?？紤]以某一大型客滾船的橫向半艙壁結(jié)構(gòu)形式和布置為例,進(jìn)行屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度校核,根據(jù)計(jì)算結(jié)果重點(diǎn)分析半艙壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1 客滾船的橫向半艙壁結(jié)構(gòu)

在客滾船上層建筑設(shè)置這類橫向半艙壁結(jié)構(gòu)后,會(huì)影響到總布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在總布置方面,橫向半艙壁結(jié)構(gòu)將對(duì)各處所的艙室布置和功能布局帶來(lái)影響。比如,在原本寬敞的旅客餐廳內(nèi)增加了多個(gè)局部隔斷,視覺(jué)上壓縮了餐廳的空間,這時(shí)需要通過(guò)家具布置、裝飾設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行彌補(bǔ)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,橫向半艙壁結(jié)構(gòu)和甲板強(qiáng)橫梁之間由于剛度差別較大,在和橫梁連接區(qū)域會(huì)形成應(yīng)力集中,另外橫向半艙壁和下層甲板連接的區(qū)域也會(huì)存在類似問(wèn)題,這些都是設(shè)計(jì)中需要額外考慮的地方。

出于減少空船重量,降低空船重心位置的目的,在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下,客滾船的上層建筑內(nèi)部除主豎區(qū)艙壁以外應(yīng)盡可能少用帶扶強(qiáng)材的鋼圍壁[4],由于艙室劃分或其他需要而設(shè)置的內(nèi)部艙壁一般采用輕薄的壓筋型結(jié)構(gòu)艙壁,見圖1。

圖1 橫向半艙壁(壓筋型結(jié)構(gòu))

但采用壓筋型結(jié)構(gòu)艙壁作為客滾船的橫向半艙壁往往是把雙刃劍,雖然可以明顯減少重量、節(jié)省焊接工作量,但在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上卻有不可忽視的風(fēng)險(xiǎn)。一方面,壓筋型橫向半艙壁的設(shè)計(jì)目的是為了功能和布置的需要,板厚較薄,壓筋的尺寸也較小,可以說(shuō)是往柔性方向來(lái)考慮的,傳統(tǒng)意義上的認(rèn)識(shí)認(rèn)為這種壓筋型結(jié)構(gòu)是不承受應(yīng)力的;另外一方面,常規(guī)設(shè)置橫向半艙壁的主要目的是為了抵抗船體垂向和橫向變形,需要較大的剛度來(lái)支撐。這兩方面看似比較矛盾的設(shè)計(jì)需求在客滾船上集中在一起,因此有必要對(duì)客滾船的橫向半艙壁結(jié)構(gòu)采用合適的校核方法和合理的設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)加以分析。

2 一型客滾船的橫向半艙壁結(jié)構(gòu)形式和布置

2.1 主要參數(shù)和布置特點(diǎn)

一型客滾船入級(jí)CCS,主要參數(shù)如下。

總長(zhǎng)～212.00 m; 垂線間長(zhǎng)197.00 m;

船寬28.00 m; 型深9.20 m;

滿載吃水/m6.50 m。

上層建筑各層甲板間高度如下。

7～8甲板2.75 m; 8～9甲板3.00 m;

9～10甲板2.75 m; 10～11甲板2.75 m。

該客滾船的上層建筑位于7甲板以上,上層建筑的首部區(qū)域主要用以布置旅客住艙、船員處所和駕駛室等,且該區(qū)域位于距艏垂線0.35L范圍內(nèi)。在未設(shè)置橫向半艙壁結(jié)構(gòu)時(shí),該客滾船8～9甲板首部區(qū)域的旅客住艙、走廊和支柱(圖中圓圈內(nèi))布置見圖2。

圖2 客滾船8～9甲板首部區(qū)域的旅客住艙、走廊和支柱布置

2.2 橫向半艙壁的布置和結(jié)構(gòu)形式

如圖3所示,取消該客滾船8～9甲板首部區(qū)域的舷側(cè)支柱,并考慮合適的橫向半艙壁結(jié)構(gòu)跨距后,在舷側(cè)房間的分隔處(圖中橢圓內(nèi))增加橫向半艙壁結(jié)構(gòu),每舷4道,間距為3或4個(gè)強(qiáng)框架,內(nèi)側(cè)未設(shè)置橫向半艙壁處仍保留支柱結(jié)構(gòu)。

圖3 客滾船8～9甲板首部的橫向半艙壁結(jié)構(gòu)布置

如圖4所示,該客滾船上層建筑首部區(qū)域的橫向半艙壁結(jié)構(gòu)采用厚度5 mm的壓筋板,并在各層橫向半艙壁的端部自由邊貼扁鋼,有利于提高船舶橫向強(qiáng)框結(jié)構(gòu)的抗彎和抗剪能力,以解決橫向撓曲變形問(wèn)題。

圖4 7～10甲板上首部區(qū)域的橫向半艙壁結(jié)構(gòu)形式

3 橫向半艙壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

一般認(rèn)為上層建筑區(qū)域的壓筋型半艙壁在結(jié)構(gòu)中承受很小的壓力,這在小型客滾船設(shè)計(jì)中可能影響不大,但隨著船長(zhǎng)和船寬的增加,上層建筑層數(shù)的增多、橫向半艙壁結(jié)構(gòu)不可避免地將承受船體梁變形帶來(lái)的附加應(yīng)力,同時(shí)甲板載荷也會(huì)通過(guò)橫向強(qiáng)框傳遞到半艙壁結(jié)構(gòu)中,因此對(duì)橫向半艙壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析是有必要的。

3.1 屈服強(qiáng)度計(jì)算方法和結(jié)果分析

3.1.1 計(jì)算模型

本船橫向半艙壁結(jié)構(gòu)布置在上層建筑的首尾區(qū)域,又以首部區(qū)域居多,客滾船通常采用的艙段有限元分析方法由于受模型長(zhǎng)度和邊界的影響,不能合理得到出半艙壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布,所以采用全船有限元建模,有限元計(jì)算模型覆蓋整個(gè)船長(zhǎng)、船寬和型深范圍內(nèi)的主船體、上層建筑等結(jié)構(gòu),對(duì)一些次要構(gòu)件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[6]。

采用基于縱骨間距的網(wǎng)格來(lái)建模,主要支撐構(gòu)件(包括實(shí)肋板、強(qiáng)橫梁、縱桁、強(qiáng)肋骨、支柱等結(jié)構(gòu))的腹部用板單元來(lái)模擬,面板和骨材等采用梁?jiǎn)卧M,橫向半艙壁結(jié)構(gòu)(壓筋型)模型和網(wǎng)格化分見圖5。

圖5 典型區(qū)域橫向半艙壁結(jié)構(gòu)(方框內(nèi))及其網(wǎng)格劃分

3.1.2 計(jì)算工況

1)局部載荷工況。按照中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[7]對(duì)客滾船直接計(jì)算的要求,一般需要校核車輛甲板骨架的強(qiáng)橫梁和縱桁的局部強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)的橫向強(qiáng)度。參照該規(guī)范的要求,采用均布載荷,分析橫向半艙壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,對(duì)車輛甲板板架的強(qiáng)度校核不作過(guò)多闡述,主要校核正浮工況和橫搖工況。

全船載荷按照CCS客滾船載荷的相關(guān)公式以場(chǎng)函數(shù)的方式進(jìn)行施加,第9甲板正浮工況下垂向載荷分布見圖6。

圖6 第9甲板正浮工況垂向載荷分布

2)總縱載荷工況。由于客滾船設(shè)置了多層甲板,并且裝載車輛的甲板往往貫通整個(gè)船長(zhǎng)范圍,一般總縱強(qiáng)度有較大富余,所以縱向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也容易滿足規(guī)范要求,以橫向半艙壁結(jié)構(gòu)為分析目標(biāo),但由于關(guān)注的區(qū)域位于距首垂線0.35L范圍內(nèi),為了考慮總縱強(qiáng)度對(duì)半艙壁結(jié)構(gòu)的影響,需要在有限元模型上施加總縱彎矩載荷。常規(guī)貨船的有限元計(jì)算,一般調(diào)整貨艙的某個(gè)位置達(dá)到彎矩目標(biāo)值即可,施加方法較為簡(jiǎn)單,而對(duì)于客滾船來(lái)說(shuō),每分析一個(gè)位置就調(diào)整一次彎矩的做法不現(xiàn)實(shí)。故采用施加彎矩包絡(luò)線的方法[8],通過(guò)將目標(biāo)彎矩轉(zhuǎn)換為集中載荷,縱向位置x處集中載荷Fv計(jì)算如下。

(1)

x1=x-saft/2

(2)

x2=x+sfwd/2

(3)

Fv施加在舷側(cè)外板,強(qiáng)框和主甲板三者相交的位置,為了驗(yàn)證施加集中力后船體彎矩是否和目標(biāo)值一致,將Fv沿長(zhǎng)度方向積分得到的彎矩和目標(biāo)彎矩對(duì)比見圖7。兩者誤差很小,認(rèn)為總縱彎矩的調(diào)整達(dá)到了目標(biāo)值。

圖7 Fv積分彎矩值和目標(biāo)彎矩對(duì)比

3.1.3 計(jì)算結(jié)果

1)局部載荷。Fr216處橫向半艙壁結(jié)構(gòu)受均布載荷作用后,正浮和左橫搖工況下的應(yīng)力結(jié)果見圖8。

圖8 Fr216橫向半艙壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果

2)總縱載荷。施加船體梁的總縱彎矩(中拱)后,總縱變形見圖9,橫向半艙壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果見圖10。

圖9 總縱強(qiáng)度下的中拱變形

圖10 橫向半艙壁結(jié)構(gòu)在中拱變形下的應(yīng)力

3.1.4 結(jié)果分析

根據(jù)CCS規(guī)范,客滾船直接計(jì)算的許用相當(dāng)應(yīng)力為180/K,K為材料系數(shù),對(duì)于普通鋼許用相當(dāng)應(yīng)力為180 MPa,對(duì)于材質(zhì)為36的高強(qiáng)度鋼許用相當(dāng)應(yīng)力為250 MPa。圖8中的計(jì)算結(jié)果均滿足屈服強(qiáng)度要求。在局部載荷工況下,橫向半艙壁結(jié)構(gòu)部分區(qū)域的屈服應(yīng)力達(dá)到100 MPa以上,而在半艙壁結(jié)構(gòu)和甲板橫梁連接處有應(yīng)力集中產(chǎn)生,并且最下方半艙壁結(jié)構(gòu)端部區(qū)域的屈服應(yīng)力較大。計(jì)算結(jié)果證明壓筋型半艙壁結(jié)構(gòu)不承受壓應(yīng)力的傳統(tǒng)認(rèn)知是不對(duì)的,橫向半艙壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問(wèn)題需要引起關(guān)注。

由圖10可見,在總縱載荷工況下,橫向半艙壁結(jié)構(gòu)絕大部分區(qū)域應(yīng)力不大,這與傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)一致,即總縱載荷對(duì)半艙壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響不大。但結(jié)果中的半艙壁結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了應(yīng)力集中,且高應(yīng)力出現(xiàn)的范圍基本與局部載荷工況一致,大小約為局部工況的三分之一,所以不能忽略總縱載荷對(duì)橫向半艙壁結(jié)構(gòu)的影響。

綜合考慮局部載荷工況和總縱載荷工況,應(yīng)力集中的區(qū)域均發(fā)生在橫向半艙壁結(jié)構(gòu)和甲板橫梁連接區(qū)域,為了消除應(yīng)力集中,提高結(jié)構(gòu)安全性,可對(duì)此區(qū)域進(jìn)行局部加強(qiáng)?？紤]到客滾船上凈空間高度的限制和人員通道的便利性,一般不采用在橫梁端部增設(shè)肘板的方式,通常采取增加橫艙壁腹板厚度的方式來(lái)改善應(yīng)力;最下方橫向半艙壁結(jié)構(gòu)的底部端部區(qū)域則可以采用插厚板、局部放大趾端來(lái)提高船舶橫向強(qiáng)框結(jié)構(gòu)的抗彎和抗剪能力,趾端放大的方案應(yīng)不能影響該處所原有的功能和布局。

3.2 屈曲強(qiáng)度的計(jì)算方法和結(jié)果分析

3.2.1 計(jì)算方法

對(duì)于壓筋型橫向半艙壁結(jié)構(gòu),由于其板厚較薄,且形狀不規(guī)則,其屈曲強(qiáng)度難以通過(guò)常規(guī)的規(guī)范公式進(jìn)行校核,目前各船級(jí)社也未形成統(tǒng)一的有關(guān)客滾船屈曲強(qiáng)度的計(jì)算規(guī)范和方法,本文采用挪威船級(jí)社DNV PULS(Panel Ultimate Limit State)軟件對(duì)橫向半艙壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效模擬(見圖11),以評(píng)估其抗屈曲能力。

圖11 橫向半艙壁結(jié)構(gòu)的屈曲校核等效模擬

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

由圖12所示的應(yīng)力分布來(lái)看,Y方向(垂直于壓筋方向)應(yīng)力普遍不大,Z方向(沿著壓筋方向)應(yīng)力占主導(dǎo)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,只考慮Z向應(yīng)力后的計(jì)算結(jié)果見圖13。

圖12 橫向半艙壁結(jié)構(gòu)的單向應(yīng)力(負(fù)值表示受壓)

圖13 橫向半艙壁結(jié)構(gòu)的屈曲計(jì)算結(jié)果

對(duì)于厚度為5 mm的壓筋型艙壁結(jié)構(gòu),在垂向壓應(yīng)力(沿著壓筋方向)為30 MPa左右時(shí)就產(chǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象,這說(shuō)明壓筋板架的臨界屈曲能力太低,所以屈曲強(qiáng)度需要尤為關(guān)注。

3.2.3 結(jié)果分析

由前面的屈服強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果可知,在橫向半艙壁結(jié)構(gòu)的某些區(qū)域存有大于30 MPa的壓應(yīng)力,這些區(qū)域極有可能屈曲能力不足導(dǎo)致的變形,在某型客滾船上發(fā)生過(guò)類似的橫向艙壁變形,初步判定為壓筋型橫向半艙壁結(jié)構(gòu)的屈曲能力不足。不過(guò)PULS的屈曲計(jì)算模型較為簡(jiǎn)單,對(duì)壓筋型橫艙壁的端部邊界條件很難模擬準(zhǔn)確,計(jì)算精確性還有待提高,但是計(jì)算結(jié)果反映的問(wèn)題真實(shí)存在。為了準(zhǔn)確得到壓筋型橫向半艙壁結(jié)構(gòu)的抗屈曲能力需要采用更為精確的非線性軟件進(jìn)行計(jì)算,后續(xù)應(yīng)進(jìn)行更深入的研究。

為了提高整個(gè)壓筋板的抗屈曲能力,利用PULS軟件對(duì)壓筋板的壓筋間距s及板厚t作一個(gè)簡(jiǎn)單的靈敏度分析,板架的屈曲利用因子隨s以及t的變化趨勢(shì)見圖14。

圖14 屈曲利用因子隨壓筋間距和板厚的變化趨勢(shì)

由圖14可見,為了提高橫向半艙壁結(jié)構(gòu)的屈曲利用因子,可將板上的壓筋間距s減小,或者增加壓筋板的板厚t。從變化趨勢(shì)上來(lái)看,板厚增加對(duì)屈曲利用因子的影響要小于壓筋間距改變帶來(lái)的影響,但板厚增加能夠降低整個(gè)板架的壓應(yīng)力,屈曲利用因子也會(huì)相應(yīng)降低,因此這兩者需要綜合考慮。

一般情況下,客滾船上層建筑為了設(shè)置盡量多的居住艙室、娛樂(lè)處所和公共空間等,壓筋的尺寸、位置和數(shù)量都有較為嚴(yán)格的限制。如果船長(zhǎng)方向空間足夠,可以增加壓筋的尺寸,進(jìn)而提高壓筋板整體的抗屈曲能力。在以上措施比較難以滿足的情況下,可以在橫向半艙壁結(jié)構(gòu)靠近船中的一側(cè)(另外一側(cè)為舷側(cè)外板)設(shè)置支柱,將半艙壁結(jié)構(gòu)承受的部分應(yīng)力轉(zhuǎn)為通過(guò)支柱來(lái)承擔(dān),同時(shí)支柱可增強(qiáng)板架邊界的約束能力,對(duì)整個(gè)半艙壁結(jié)構(gòu)的抗屈曲能力也有較大貢獻(xiàn)。但若取消半艙壁結(jié)構(gòu)而僅設(shè)置支柱,則會(huì)導(dǎo)致支柱端部應(yīng)力集中問(wèn)題更為凸顯,所以橫向半艙壁結(jié)構(gòu)作為客滾船橫向抗撓曲強(qiáng)度的重要組成部分不可或缺,如何合理地協(xié)調(diào)橫向半艙壁結(jié)構(gòu)和端部支柱的設(shè)計(jì)也是今后的研究?jī)?nèi)容。

4 結(jié)論

大型客滾船上層建筑自身的橫向撓曲強(qiáng)度及其引起的變形問(wèn)題需加以重視,否則極易產(chǎn)生裂紋,影響船舶內(nèi)部的美觀、功能和安全性。上層建筑橫向半艙壁結(jié)構(gòu)承受局部載荷引起的應(yīng)力,以往將壓筋型橫艙壁視為不承力結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)是有欠缺的,在半艙壁結(jié)構(gòu)端部區(qū)域需要局部增厚。

1)總縱彎矩對(duì)向半艙壁結(jié)構(gòu)的影響較小,但局部區(qū)域仍會(huì)有不可忽視的應(yīng)力集中,因此校核橫向半艙壁屈服強(qiáng)度時(shí)需要考慮總縱載荷的影響,在局部強(qiáng)度校核中留一部分余量。

2)壓筋型橫向半艙壁結(jié)構(gòu)抗屈曲能力較差,在屈服強(qiáng)度滿足規(guī)范要求的情況下,還需要考慮屈曲強(qiáng)度,某實(shí)船橫向半艙壁的局部變形也反應(yīng)了屈曲強(qiáng)度的重要性。

3)壓筋的間距和板厚對(duì)壓筋板的屈曲能力均有影響,減小壓筋間隙能顯著提高板架的屈曲能力。

大型客滾船的上層建筑尤其是橫向半艙壁結(jié)構(gòu)目前研究較少,常規(guī)艙段計(jì)算受邊界的影響難以全面地反應(yīng)出艙壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平,而采用全船建模的方式工作量則較大。因此,后續(xù)還需要進(jìn)一步研究如何較快地評(píng)估橫向半艙壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。另外,本文采用PULS計(jì)算壓筋板的屈曲能力,不能很好地反映壓筋形式以及舷側(cè)邊界效應(yīng)對(duì)橫向半艙壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響,其計(jì)算結(jié)果雖能夠反映出壓筋板的屈曲特征,但精確性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。