潘 希 穎

（BV船級社（中國）有限公司，上海 200011）

0 引 言

散貨船疲勞計算是船舶設(shè)計的重要內(nèi)容。自從2006年散貨船共同規(guī)范（CSR Bulk Carrier）頒布以后，由于各家船級社采用相同的公式，具有可比性，極大地提高了船舶設(shè)計的安全度。但是更嚴格的疲勞計算[1]要求也使船舶結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，船體重量增加，并增加船廠生產(chǎn)成本。在滿足CSR疲勞壽命要求的前提下，對不同的疲勞節(jié)點進行比較，以得出有效可行的優(yōu)化方法。

1 縱骨疲勞節(jié)點優(yōu)化

1.1 對象

如何通過節(jié)點優(yōu)化來滿足散貨船底部縱骨在肋板加強筋處的疲勞壽命，要研究的對象為一條82000dwt散貨船第三貨艙Fr.169號肋位處縱骨的疲勞壽命（見圖1～3）。

圖1 82000dwt散貨船

如圖2所示，分別在雙層底底部選取BL13以及舷側(cè)SL6球扁鋼為研究對象。

球扁鋼尺度為； HP300×12AH36（BL13）、HP280×11AH36（SL6）

肋板處加強筋為：FB200×15

縱骨間距： 850mm

肋距： 2595mm

圖2 82000dwt散貨船橫剖面

1.2 CSR BC疲勞計算原理及公式

按CSR的規(guī)定，長度為150m以上散貨船疲勞壽命的目標為25a。CSR-BC疲勞計算的基本原理是累積損傷度理論、S-N曲線（B型）， 公式為：

式中：ΔσE,j——缺口（切口）應(yīng)力范圍：

式中：ΔσW,j——熱點應(yīng)力范圍。

由式（4）可知，熱點應(yīng)力范圍的大小對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命影響巨大，如果通過節(jié)點結(jié)構(gòu)的優(yōu)化能有效地降低熱點應(yīng)力范圍，就可提高疲勞壽命。對于熱點應(yīng)力范圍的取得，CSR中主要推薦了3種計算方法：簡化法、疊加法和直接計算法。這3種方法都被認為是有效的計算方法，相比之下簡化法更為簡便易行，對于縱骨的疲勞計算來說是主要的計算手段。

圖3 底部縱骨穿越肋板的典型節(jié)點

圖4 傳統(tǒng)典型的縱骨穿越肋板節(jié)點

1.3 傳統(tǒng)縱骨在肋板加強筋處疲勞節(jié)點形式

傳統(tǒng)典型的節(jié)點見圖 4所示，在加強筋處有軟趾，同時背后有肘板加強，而加強筋根部的切口為R35的扇形孔。對比圖3可以很容易發(fā)現(xiàn)該型82000dwt散貨船取消了縱骨的背部肘板。對于本船采用的球扁鋼之類的非對稱剖面縱骨，在中國船級社發(fā)布的《船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度指南》[3]（以下簡稱為《指南》）中曾明確指出，當該類縱骨作為上下連通的底邊艙底部縱骨時應(yīng)該設(shè)立背部軟化肘板，否則不應(yīng)當接受。顯然本船如圖3所示的節(jié)點形式并不滿足《指南》的要求。不過《指南》中所提及的只是一般性原則，并沒有明確當該類縱骨在采用不同軟化切口的情況下，是否能夠避免背部肘板的設(shè)立。因此本文的目標是通過對不同切口節(jié)點進行研究，以判斷其是否能夠有效地提高縱骨疲勞壽命，從而滿足CSR規(guī)范關(guān)于疲勞壽命的要求。在傳統(tǒng)的扇形孔切口情況下，縱骨的疲勞壽命可以利用CSR中所提供的應(yīng)力集中系數(shù)（見表1）采用簡化計算法得到（去除背部肘板之前和之后），結(jié)果分別見圖5、6。

圖5 去除背部肘板之前的疲勞壽命（傳統(tǒng)扇形孔節(jié)點）

圖6 去除背部肘板之后的疲勞壽命（傳統(tǒng)扇形孔節(jié)點）

表1 縱骨端部連接處應(yīng)力集中系數(shù)（CSR 規(guī)范）

結(jié)果正如《指南》所提示的那樣：在沒有取消背部軟肘板之前，縱骨的疲勞壽命是足夠的，而取消肘板之后其疲勞壽命明顯下降，無法滿足要求。

1.4 幾種優(yōu)化方案的比較

對于沒有背肘板的縱骨節(jié)點來說，熱點在于縱骨面板靠近加強筋下端部a點處（如表1中圖標所示）。分析a點處的結(jié)構(gòu)特點，可以發(fā)現(xiàn)主要的應(yīng)力集中是由扇形孔與縱骨面板相交而引起的。所以應(yīng)盡可能軟化a點處切口的趾端以及使切口遠離肋板。分別對以下幾種切口形式進行比較（見圖7～9）。

圖7 鑰匙孔切口

圖8 帶缺口的鑰匙孔切口

以上幾種切口都被認為能夠有效提高疲勞壽命，但是在CSR提供的列表中并沒有給出這幾種切口相關(guān)的系數(shù)，因此很難通過簡化計算法得到相應(yīng)的疲勞壽命。

1.4.1 熱點處應(yīng)力集中效應(yīng)比較

從疲勞計算原理知，疲勞壽命的降低主要是由于應(yīng)力集中過大。因此在相同載荷作用下，應(yīng)力集中較小的節(jié)點形式必然提高疲勞壽命。分別對以上3種節(jié)點形式建立了有限元計算模型，并在外板增加相同的局部外載荷，結(jié)果得到熱點處的主應(yīng)力（見表2）。

圖9 “Ω”孔切口

表2 熱點處主應(yīng)力計算結(jié)果 單位：MPa

由表2可知，“?”孔型節(jié)點的疲勞節(jié)點的應(yīng)力下降最多，約14%，帶缺口的鑰匙孔次之，而單純的鑰匙孔只能起到有限的作用。在CSR公式中系數(shù)Kgl實際就是相當于局部載荷作用下的集中力系數(shù)。通過比較以上幾種方案，建議可以保持簡化法中Kgh不變，而相應(yīng)調(diào)整Kgl（見表3）。從而仍舊可以采用簡化計算法得到這幾種切口下的疲勞壽命值。

值得一提的是，在未來將實施的HCSR[4]中引入了“?”孔型節(jié)點（見表4）。其中：

Ka：軸向載荷應(yīng)力的幾何應(yīng)力集中因子，可對應(yīng)于CSR（BC）的Kgh。

Kb：側(cè)向壓應(yīng)力的幾何應(yīng)力集中因子，可對應(yīng)于CSR（BC）的Kgl。

表3 建議的應(yīng)力集中系數(shù)

由表4可知，相對于傳統(tǒng)的扇形孔，優(yōu)化結(jié)點的應(yīng)力集中系數(shù)被大幅下調(diào)。但是考慮到HCSR的疲勞計算體系與CSR（BC）并不完全相同，并且HCSR目前只是草稿，其系數(shù)本身也在不斷調(diào)整中，因此表4的系數(shù)僅提供參考。

表4 HSCR中相應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)

1.4.2 有限元疲勞分析直接計算

為了進一步驗證通過應(yīng)力集中法得到的判斷，對鑰匙孔和“?”孔兩種形式采用了直接計算法來求取各自的疲勞壽命。采用VeriSTAR Hull 5.5（reversion 2），模型范圍從Fr.163-Fr.175，橫向為BL6至舷側(cè)的整個雙層底及底邊艙部分。模型見圖10、11。得到的熱點處疲勞壽命見表5。

圖10 雙層底及底邊艙模型

表5 直接法計算結(jié)果 單位：a

從表5的結(jié)論可知，相對簡化計算法的結(jié)果，采用直接法得到的疲勞壽命要高一些?？紤]到簡化計算法中做了許多假設(shè)，因此計算公式相對保守是可以理解的。

2 結(jié) 語

1) 通過對3種不同的節(jié)點的分析比較，結(jié)果顯示“?”孔節(jié)點的疲勞特性最好，帶缺口的鑰匙孔次之，單純的鑰匙孔只能起到有限的提高作用；

2) 兩種不同計算方法的結(jié)果顯示，直接法相對于簡化法得到的疲勞壽命為高，因此在某些情況下，如果采用直接計算的方式，可以證明某些在簡化計算法下無法通過的節(jié)點疲勞壽命仍然是可以接受的。但是，考慮到以下因素：

(1) 相比簡化法而言，直接法花費的人工和時間太多；

(2) 直接法只能對相對有限的位置進行疲勞計算。

因此，在進行疲勞強度設(shè)計的過程中，仍應(yīng)當以簡化法為基本設(shè)計手段，而以直接法為輔助工具；

3) 通過研究可以認為，在通過節(jié)點優(yōu)化，以及有限元直接計算證明的前提下，散貨船底部縱骨可以在取消背部肘板的同時，仍能保證疲勞壽命的要求。這一點對船廠節(jié)約成本有重大意義，以82000dwt散貨船為例，雙層底及舷側(cè)縱骨總共有超過1500塊肘板，如果采用優(yōu)化的節(jié)點而將之減少，將極大地節(jié)約人工以及鋼材。尤其是考慮到未來將實行的HCSR規(guī)范，對于散貨船疲勞壽命的要求將更為嚴苛，因此對于縱骨疲勞節(jié)點的優(yōu)化研究就具有更強的現(xiàn)實意義；

4) 本結(jié)論不適用于帶防傾肘板的底部縱骨疲勞強度分析。

[1] 鄭欣彬，張匯平. 87000t散貨船結(jié)構(gòu)強度直接計算[J]. 船舶與海洋工程，2012, (2): 16-20.

[2] IACS.《Common Structural Rule for Bulk Carrier》[DB]， 2012.

[3] 中國船級社. 船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度指南[DB]. 上海：中國船級社上海規(guī)范所，2007.

[4] IACS.《Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers》, E.R.[DB] 2013.