湯衛(wèi)民 徐志亭 曾文源

（1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海 200240；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

船舶結(jié)構(gòu)

基于疲勞強度的某救援船上建端部節(jié)點優(yōu)化研究

湯衛(wèi)民1,2徐志亭2曾文源2

（1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海 200240；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

船舶長上建端部通常都是全船高應(yīng)力集中點，在此部位采用高強度鋼可以滿足屈服強度要求，但很難滿足疲勞壽命要求。文中針對某救援船長上建端部典型節(jié)點，結(jié)合疲勞強度譜分析直接計算方法，比較不同結(jié)構(gòu)形式下的疲勞壽命，給出上建端部典型節(jié)點的優(yōu)化建議。

救援船；上建端部；疲勞強度；節(jié)點優(yōu)化

引 言

疲勞破壞是船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物的主要破壞形式之一。對于大型和超大型船舶而言，疲勞問題更應(yīng)引起重視。據(jù)統(tǒng)計，船長大于200m的中大型船舶，總損傷數(shù)的70%屬于疲勞損傷［1］。在大型船舶中，長上建通常會參與船體梁的總縱彎曲，在上建端部，橫剖面模數(shù)突然減小，容易造成應(yīng)力集中，是全船需要重點設(shè)計的并鍵部位。目前針對這一問題，各大船級社規(guī)范均有相并規(guī)定，明確要求上建端部過渡處的外板或舷墻、甲板等部位要加厚，并盡可能在側(cè)圍壁終斷的端部增加過渡肘板［2-4］。但是對于一些工程船舶，為適應(yīng)工程作業(yè)的需要，上建側(cè)圍壁端部不允許設(shè)置過渡肘板，僅靠增加板厚或使用高強度鋼才可能勉強滿足船舶設(shè)計屈服強度要求，卻往往很難滿足疲勞強度設(shè)計要求。本文針對長上建端部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的節(jié)點，一般是縱向構(gòu)件端部，提出多種改進方案，并比較各個方案下的疲勞壽命，給出這類節(jié)點的優(yōu)化建議。

1 本船初始方案

本船屬于具有高而長上建的典型船舶，上建在船舯附近終止（如圖1所示），整船橫截面剖面的模數(shù)在上建端部突然減小，而且船舯區(qū)域正是船體梁總縱彎矩最大之處，造成上建端部與主甲板連接處存在明顯的應(yīng)力集中。本船上建寬度并未延伸到舷側(cè)，上建端部側(cè)圍壁直接終止在1甲板上。為改善此處的應(yīng)力集中，本船上建后端壁與外側(cè)壁采用圓角連接（如圖2所示）。圖中位置1和位置2為本文進行優(yōu)化的部位。

位置1處為進一步改善其應(yīng)力集中，在1甲板上增加覆板（板厚14mm，DH36鋼），位置1和位置2結(jié)構(gòu)形式見圖3和圖4。

優(yōu)化節(jié)點位置處結(jié)構(gòu)板的初始板厚信息和疲勞壽命計算結(jié)果見下頁表1。疲勞壽命計算采用有限元譜分析計算方法［5］獲得。

位置1和位置2的典型工況應(yīng)力云圖見下頁圖5和圖6?？梢姡恢?處的強扶強材根部有明顯的應(yīng)力集中，導(dǎo)致此處甲板板、甲板縱桁、后端壁板等構(gòu)件疲勞壽命均不滿足設(shè)計要求；位置2處雖針對性地增加了板厚，但應(yīng)力集中非常明顯，疲勞壽命并不滿足設(shè)計要求，需要進一步優(yōu)化。

表1 優(yōu)化前節(jié)點處各結(jié)構(gòu)板厚及疲勞壽命

2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式設(shè)計

針對位置1，艙壁板厚已取到20mm，而非應(yīng)力集中區(qū)域外側(cè)壁的10mm。該厚度已經(jīng)沒有再加厚的的空間，只能更改結(jié)構(gòu)形式?？紤]到甲板上覆板的彈性作用，現(xiàn)將位置1處的艙壁扶強材由垂向扶強材改為水平扶強材，板厚改小（取原來的10mm）。節(jié)點模型如圖7所示。

針對位置2，縱壁參與船體梁總縱強度，隨整船拉伸變形，從而導(dǎo)致縱壁根部與甲板、橫壁連接處應(yīng)力過大，而且此處也不能在后端壁外再增加疲勞過渡肘板。為了使縱壁上的載荷擴散到連接部位的周邊，在縱壁與后端壁連接處增加一半圓鋼管（鋼管尺寸為R350×16），使得載荷通過半圓鋼管向外擴散，如下頁圖8所示。

3 優(yōu)化方案疲勞壽命計算

現(xiàn)針對以上的優(yōu)化方案，再次進行疲勞壽命計算，計算結(jié)果見表2。

位置1和位置2應(yīng)力RAO曲線見圖9～12。

位置1和位置2典型工況下的的應(yīng)力云圖見圖13～14。

從應(yīng)力云圖中可以看出：位置1處不再有明顯應(yīng)力集中，應(yīng)力沿圓弧逐漸擴散；位置2處應(yīng)力集中情況改善，應(yīng)力數(shù)值從60降至41，縱壁與半圓鋼管連接處應(yīng)力集中區(qū)域大概為300mm×300mm，縱壁加厚范圍也只需500mm×500mm即可。由計算結(jié)果可以看出，相應(yīng)各部位的疲勞壽命均有大幅提升，符合設(shè)計使用要求。

表2 優(yōu)化后節(jié)點處各結(jié)構(gòu)板厚及疲勞壽命

4 結(jié) 論

本文針對長上建端部不適合設(shè)置肘板，但僅靠加板厚又無法滿足疲勞壽命的節(jié)點進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出以下建議：

（1）多層上建端部應(yīng)盡可能不要在同一剖面處終止，階梯狀終止可緩解上建端部應(yīng)力集中問題。

（2）上建端部應(yīng)該盡可能設(shè)立具有良好過渡的結(jié)構(gòu)。

（3）寬度不到船寬的上建端部，后端壁與側(cè)壁應(yīng)盡可能采用圓角連接。圓弧R應(yīng)盡可能大，建議不小于縱骨間距。

（4）上建端部圓角連接處若采用甲板上加覆板的形式降低應(yīng)力，則圓角連接處圍壁上采用水平骨材布置更為有效。

（5）上建后端壁與長縱內(nèi)圍壁連接處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，可參考本文采用增加半圓鋼管的結(jié)構(gòu)形式進行過渡。

（6）上建端部處甲板板及其下的骨材均應(yīng)相應(yīng)加強。

［1］ 林文平，宋大偉，徐超友. CSR散貨船底邊艙折角處結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計［J］. 船舶，2013（1）： 49-54.

［2］ 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范［S］. 2015.

［3］ DNV. Rules for Classification ofships［S］. 2014.

［4］ ABS. Rules for Building and Classingmarine Vessels［S］. 2016.

［5］ 馮國慶.船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度評估方法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2006：67-93.

On optimization of superstructure end nodes of rescue ship based on fatigue strength

TANG Wei-min1,2XU Zhi-ting2ZENG Wen-yuan2
(1.school of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering,shanghai Jiao tong University,shanghai 200240, China; 2.marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China)

The ends of long superstructure are usually the highs tress concentration points of the ship, where the high strength steel should be used to meet the requirement of the yield strength. However, it is difficult to meet the requirement of the fatigues trength. The fatigue lives of the typical nodes of the long super structure on a rescue ship with the different structure configuration are compared by using the direct calculation method for the fatigue strength spectral analysis.some suggestions are given for the optimization of the typical nodes at the super structure ends.

rescue ship; end of superstructure; fatigue strength; node optimization

U663.6

A

1001-9855（2017）05-0033-05

2016-12-27；

2017-02-15

湯衛(wèi)民(1977- )，男，碩士，高級工程師。研究方向：船體結(jié)構(gòu)設(shè)計。徐志亭(1985- )，男，工程師。研究方向：船體結(jié)構(gòu)設(shè)計。曾文源(1980- )，男，高級工程師。研究方向：船體結(jié)構(gòu)設(shè)計。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.033