王 麒 淋

（中國(guó)船級(jí)社審圖中心，上海 200135）

0 引 言

隨著世界航運(yùn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，成品油船日益受到投資者青睞。此類油船通常具有槽形橫、縱艙壁設(shè)計(jì)，而橫、縱艙壁的頂?shù)识瞬亢褪纸徊鎱^(qū)域多是應(yīng)力集中區(qū)域。一般的有限元粗網(wǎng)格計(jì)算并不能準(zhǔn)確地評(píng)估該節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力水平。以往，這些節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)以經(jīng)驗(yàn)格式為主。在油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（CSR）推出之后，對(duì)原有油船設(shè)計(jì)和研發(fā)帶來(lái)很大的影響[1,2]。很多原有油船采用有限元軟件進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)估[3～5]，但主要側(cè)重于新規(guī)范實(shí)施帶來(lái)的變化或者計(jì)算方法、計(jì)算工具的介紹，缺少對(duì)節(jié)點(diǎn)評(píng)估結(jié)論的詳細(xì)分析。

1 船體結(jié)構(gòu)細(xì)化有限元分析要求和步驟

船體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)連接有兩類最基本的形式：1) 結(jié)構(gòu)幾何連接突變處，如：雙殼油船的底邊艙折角，超大型集裝箱船的內(nèi)殼和平臺(tái)的連接部位，這類結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的構(gòu)造特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)布置上的突變性；2) 肘板連接處，如：船體甲板縱骨與橫艙壁垂直扶強(qiáng)材的端部連結(jié)。

對(duì)于此類結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的應(yīng)力分析，通常采用細(xì)化網(wǎng)格的有限元分析法。國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)推出的油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范給出了油船結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)細(xì)化分析的具體實(shí)施要求和衡準(zhǔn)。

1.1 建模要求

細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域的網(wǎng)格尺寸應(yīng)不大于50mm×50mm。一般情況下，細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域的范圍在校核區(qū)域的所有方向應(yīng)不少于10個(gè)單元。細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的所有板材和筋應(yīng)以板單元表示。

1.2 計(jì)算工況個(gè)數(shù)

對(duì)于只有一道縱艙壁的油船，計(jì)算工況（含動(dòng)工況和靜工況）共23個(gè)[1]，如無(wú)風(fēng)暴壓載工況，則計(jì)算工況共22個(gè)。

1.3 衡準(zhǔn)

油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)于遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域和鄰近焊縫區(qū)域，給出了不同的應(yīng)力衡準(zhǔn)，考慮到焊縫周圍由于焊接熱效應(yīng)有可能導(dǎo)致的殘余應(yīng)力，因此對(duì)焊縫區(qū)域的許用應(yīng)力更小，即應(yīng)力衡準(zhǔn)更加嚴(yán)格（見表1）。

表1 應(yīng)力衡準(zhǔn)

1.4 細(xì)化網(wǎng)格有限元分析

分析流程見圖1。

圖1 細(xì)化網(wǎng)格有限元分析流程

2 節(jié)點(diǎn)分析及優(yōu)化實(shí)例

2.1 節(jié)點(diǎn)分析

選取一條典型的5萬(wàn)噸級(jí)成品油船，其槽形橫艙壁端部和槽形橫、縱艙壁頂?shù)实装迨纸徊鎱^(qū)域的結(jié)構(gòu)形式見圖 2、3。根據(jù)艙段粗網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果，頂?shù)实装迮c舷側(cè)水平桁相交處（見圖 2）、橫、縱艙壁頂?shù)实装逑嘟惶帲ㄒ妶D3）顯示出較明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格分析，細(xì)化模型見圖4、5，為準(zhǔn)確描述肘板幾何形狀，細(xì)化網(wǎng)格尺寸達(dá)到 50mm×50mm甚至更小。值得注意的是，對(duì)于網(wǎng)格尺寸小于50mm×50mm的細(xì)化網(wǎng)格，應(yīng)先等效化到50mm×50mm的網(wǎng)格后再進(jìn)行應(yīng)力評(píng)估。

計(jì)算結(jié)果表明，在肘板處（圖4、5中圓圈標(biāo)示位置）顯示出應(yīng)力集中嚴(yán)重，在B10港內(nèi)工況下達(dá)到最大，分別為461N/mm2和479N/mm2，位于肘板自由邊處，為拉應(yīng)力，應(yīng)力結(jié)果如圖6、7所示。肘板自由邊屬遠(yuǎn)離焊縫單元，許用應(yīng)力取為400N/mm2，故此處節(jié)點(diǎn)應(yīng)力超過許用應(yīng)力，須進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖4 節(jié)點(diǎn)1～2細(xì)化模型

圖5 節(jié)點(diǎn)3～6細(xì)化模型

圖6 節(jié)點(diǎn)1～2細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力云圖

圖7 節(jié)點(diǎn)3～6細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力云圖

為使節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)改進(jìn)有的放矢，詳細(xì)分析產(chǎn)生該兩處節(jié)點(diǎn)應(yīng)力水平較高的原因：1) 由于槽型艙壁頂?shù)饰恢酶?，局部載荷小，其寬度、板厚均不及底凳，因此頂?shù)侍巹偠容^小。在B10工況（一邊空艙，一邊滿艙）承受側(cè)向載荷時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大變形，導(dǎo)致頂?shù)识瞬繎?yīng)力較高。進(jìn)一步與母型船比較發(fā)現(xiàn)，為控制空船重量，槽型橫艙壁的幾何形狀由半舷6個(gè)槽條減少為半舷4個(gè)槽條，進(jìn)一步降低了橫艙壁的整體剛度；2) 十字交叉區(qū)域，肘板尺寸過小，不足以承受交叉區(qū)域的剪力，以致在橫向、縱向結(jié)構(gòu)過渡處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化

設(shè)計(jì)了4種不同方案，以改善節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力。

2.2.1 增設(shè)主要支撐構(gòu)件

為加強(qiáng)頂?shù)侍幍恼w剛度，在橫艙壁頂?shù)士缇嘀悬c(diǎn)處，沿原有甲板縱骨增設(shè)一道縱向強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)，見圖8中陰影區(qū)域。計(jì)算結(jié)果見圖9、10，最大應(yīng)力分別為440N/mm2和474N/mm2，分別減小4.6%、1.0%，仍不滿足衡準(zhǔn)要求。

圖8 方案1結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

圖9 方案1加強(qiáng)后節(jié)點(diǎn)1～2應(yīng)力云圖

圖10 方案1加強(qiáng)后節(jié)點(diǎn)3～6應(yīng)力云圖

2.2.2 增加板厚

將十字交叉區(qū)域的板厚由25AH32加強(qiáng)至27AH32，計(jì)算結(jié)果見圖11、12，最大應(yīng)力分別為441N/mm2和460N/mm2，分別減小4.3%、4.0%，仍不滿足衡準(zhǔn)要求。

圖11 方案2加強(qiáng)后節(jié)點(diǎn)1～2應(yīng)力云圖

圖12 方案2加強(qiáng)后節(jié)點(diǎn)3～6應(yīng)力云圖

2.2.3 肘板處增設(shè)面板

在節(jié)點(diǎn)1～6的肘板處增設(shè)FB100X25AH32的對(duì)稱面板，以增加肘板剛度，計(jì)算結(jié)果見圖13、14，最大應(yīng)力分別為432N/mm2和558N/mm2，分別減小6.3%和增加16.5%。由圖13、14可以看出，肘板邊緣的應(yīng)力大幅降低，但肘板趾端出現(xiàn)應(yīng)力集中。肘板趾端屬鄰近焊縫區(qū)域，衡準(zhǔn)要求應(yīng)取為362N/mm2，這樣雖然肘板圓弧處應(yīng)力降低，但是肘板趾端的應(yīng)力卻超出了衡準(zhǔn)，仍未達(dá)到節(jié)點(diǎn)改善之目的。另外由于面板為上下對(duì)稱形式，洗艙時(shí)肘板上部面板處的油污將較難去除，會(huì)對(duì)洗艙帶來(lái)不利影響。

圖13 方案3加強(qiáng)后節(jié)點(diǎn)1～2應(yīng)力云圖

圖14 方案3加強(qiáng)后節(jié)點(diǎn)3～6應(yīng)力云圖

2.2.4 增大肘板尺寸

參照中國(guó)船級(jí)社（CCS）規(guī)范中有關(guān)主要支撐構(gòu)件端肘板的臂長(zhǎng)要求[6]，將節(jié)點(diǎn)1處的肘板由550mm×550mm/R600mm增大至900mm×900mm/R1200mm，將節(jié)點(diǎn)2處的肘板由700mm×700mm/R800mm增大至900mm×900mm/R1200mm，計(jì)算結(jié)果如圖15、16，最大應(yīng)力分別為412N/mm2和404N/mm2，分別下降10.6%、15.7%。最終結(jié)果滿足衡準(zhǔn)要求。

圖15 方案4加強(qiáng)后節(jié)點(diǎn)1～2應(yīng)力云圖

圖16 方案4加強(qiáng)后節(jié)點(diǎn)3～6應(yīng)力云圖

2.2.5 計(jì)算結(jié)果

頂?shù)实装迮c舷側(cè)水平桁相交處以及橫、縱艙壁頂?shù)实装迨纸徊嫣幉煌倪M(jìn)方案的計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2 不同方案的計(jì)算結(jié)果匯總

比較不同方案的計(jì)算結(jié)果可知：應(yīng)力集中的主要原因在于肘板尺寸太小，以致橫向與縱向結(jié)構(gòu)相交處的應(yīng)力得不到釋放。采用增設(shè)主要支撐構(gòu)件（方案1）或增加板厚（方案2），并不能有效地降低節(jié)點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果，而且會(huì)增加較多的空船重量；采用增設(shè)肘板面板（方案3），雖然可以降低肘板邊緣處的應(yīng)力，但引起肘板趾端的應(yīng)力集中。故最終確定方案4，即：增大肘板臂長(zhǎng)及圓弧半徑。最終應(yīng)力結(jié)果相比原結(jié)果分別減小了10.6%和15.7%，滿足衡準(zhǔn)要求，且每檔橫艙壁處增加空船重量?jī)H約為0.067t。

3 結(jié) 語(yǔ)

采用細(xì)化網(wǎng)格分析法能夠清晰反映結(jié)構(gòu)在較小區(qū)域內(nèi)的梯度變化，為船舶結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。

針對(duì)該成品油船典型節(jié)點(diǎn)的細(xì)化分析，可以得到以下結(jié)論：

1) 成品油船的槽形橫艙壁頂?shù)侍巹偠容^小，故其十字交叉區(qū)域結(jié)構(gòu)過渡處會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力集中；

2) 對(duì)于成品油船的槽形橫艙壁頂?shù)实装迮c舷側(cè)水平桁相交處以及槽形橫、縱艙壁頂?shù)适纸徊鎱^(qū)域，在設(shè)計(jì)時(shí)，肘板臂長(zhǎng)和相應(yīng)的圓弧半徑不宜太小，至少應(yīng)與頂?shù)实装宓膶挾认喈?dāng)。

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