張榮鑫

（中國船級社大連分社 大連116013）

引 言

隨著國際對石油、天然氣等需求的不斷擴大，勘探范圍也在海洋和內(nèi)陸湖泊之間不斷轉(zhuǎn)換。中國石油集團在進行全球石油勘探作業(yè)時就需要采用組合式氣槍震源船。該船主要能夠用于沿海遮蔽區(qū)域、灘涂區(qū)域以及從海上難以直接駛?cè)氲母蹫硡^(qū)域進行勘探作業(yè)。由于有些區(qū)域船舶無法直接駛?cè)?，必須通過陸路運輸才能進入，需要把船體分解成若干個模塊進行運輸，到達作業(yè)區(qū)域后再組裝成整體實現(xiàn)作業(yè)需要，這樣能降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)備使用效率。

船體各模塊間采用螺栓連接并能使其達到相應(yīng)的強度、穩(wěn)性等要求，從而滿足CCS 規(guī)范要求。由于該類船舶屬于新穎設(shè)計，現(xiàn)階段無相應(yīng)的規(guī)范要求及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，因而在設(shè)計和結(jié)構(gòu)審核中就需要綜合考慮各方面因素，使其既合理可行，又能與規(guī)范的要求趨于一致。

該船結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：一是確認(rèn)橫艙壁連接處螺栓強度如何滿足總縱強度、橫向強度的要求；二是確認(rèn)縱艙壁連接處螺栓強度如何滿足橫向強度的要求；三是確認(rèn)其他部位如艏樓與主甲板間、甲板室與主甲板間及甲板室之間、舷墻與主甲板間等螺栓強度。本文提出了船體梁-螺栓強度等效原則和橫向結(jié)構(gòu)-螺栓強度等效原則，并參考集裝箱慣性力理論、船首上浪力及錨機錨泊力等綜合因素，對以上三方面關(guān)鍵技術(shù)的螺栓強度進行分析，圓滿地完成了審核任務(wù)。該船于2013 年建造完畢，運營航行于各水域進行勘察作業(yè)，為我國石油勘探發(fā)揮了應(yīng)有的作用。

1 具體案例

案例船為可拆解組合式震源船，主要工作區(qū)域為沿海或內(nèi)陸河、湖，實船如圖1 所示，主尺度參數(shù)見表1。

圖1 組合式氣槍震源船實船

表1 案例船主尺度參數(shù)

全船共分為12 個模塊，主甲板以下有7 個模塊（懸艉部1，艉部P/S 各1，中部P/S 各1，艏部P/S 各1），艏樓1 個模塊，甲板室4 個模塊。

甲板縱/橫向螺栓布置情況如下頁圖2 所示。具體的螺栓座及螺栓連接詳圖見下頁圖3 所示，其中螺栓三視圖見圖3（b），其余類似；螺栓底座與船體結(jié)構(gòu)直接焊接，如圖3（a）中紅圈內(nèi)所示；螺栓底座接觸處為凹凸式階梯狀結(jié)構(gòu)，如圖3（a）、（b）中藍圈內(nèi)所示，螺栓不承擔(dān)剪力，底座部分承擔(dān)剪力；橫艙壁處的螺栓軸向為船長方向，縱艙壁處甲板/船底的螺栓軸向為船寬方向。

2 船體梁—螺栓強度等效原則

由于船體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，通常將船體視為理想化的一變斷面空心薄壁梁。船體總縱彎曲發(fā)生在兩個平面：垂直平面和水平平面。船體梁抵抗在外力作用下沿其縱向垂直/水平面內(nèi)所發(fā)生的彎曲能力為總縱強度。由于作用于船體上最多力的方向是垂直的，當(dāng)船舶迎浪航行時，在垂直平面內(nèi)彎曲引起的應(yīng)力對總強度是決定性的。確定船體總縱彎曲應(yīng)力計算方法的選擇取決于載荷特性、船舶主尺度的比值、所確定的船體應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)成分的類型以及計算精度的要求［1］。

圖2 螺栓布置圖（甲板&橫艙壁）

船體是在自平衡作用下彎曲的非等剖面梁。按照平剖面和法向剖面假設(shè)在船體縱向構(gòu)件中的法向應(yīng)力按下式［2］確定：

式中 ：σ為應(yīng)力，N/mm2；M為彎矩， KN·m；I為慣性矩，cm4；z為中和軸到構(gòu)件的距離， m。

作為梁彎曲工程理論基礎(chǔ)的假定體系含有一定的矛盾，如式（1）必須在船體剖面沒有剪應(yīng)力為前提，但實際上剪應(yīng)力存在。為了確定剪應(yīng)力采用茹拉夫斯基定理，按式（2）確定：

式中：τ為剪應(yīng)力，N/mm2；S為位于要確定應(yīng)力的高度上面/下面的橫剖面截取部分的靜矩，cm3；δ為船體橫剖面輪廓在該高度處的總厚度，mm。

最大法向應(yīng)力發(fā)生在距剖面中和軸最遠的構(gòu)件上，而最大剪應(yīng)力發(fā)生在中和軸上。如果船體有些結(jié)構(gòu)由彈性模量Ei的材料建成，它不同于基本船體材料的彈性模量E0，則這些構(gòu)件的剖面面積應(yīng)帶有等于比值λ=Ei/E0的相應(yīng)折減系數(shù)計入等值梁內(nèi)［1］。

可拆解組合式船舶縱向各模塊間采用螺栓連接，因而導(dǎo)致了其縱向構(gòu)件的不連續(xù)性（參見圖1所示）。船體梁-螺栓強度等效原則就是船體梁縱向螺栓連接處其慣性矩/剖面模數(shù)不變原則，保證船體梁的總縱強度不變，即此處螺栓強度與船體梁強度等效。根據(jù)該原則及CCS 規(guī)范［3］對船體總縱強度橫剖面的計算要求，假定橫艙壁螺栓連接處的用螺栓替代船體板及縱向構(gòu)件時，僅承受總縱彎曲不承受剪力，則滿足：

式中：IV1和IV0分別為螺栓處橫剖面垂向慣性矩與船體橫剖面垂向慣性矩，cm4；IT1和IT0分別為螺栓處橫剖面水平慣性矩與船體橫剖面水平慣性矩，cm4；WD1和WD0分別為螺栓處橫剖面甲板處剖面模數(shù)與船體橫剖面甲板處剖面模數(shù)，cm3；WS1和WS0分別為螺栓處橫剖面船底處剖面模數(shù)與船體橫剖面船底處剖面模數(shù)，cm3；S1和S0分別為螺栓處橫剖面面積與船體橫剖面面積，cm2。

由于螺栓的彈性模量未知，以材料的屈服強度代替彈性模量，則λ=σ1/σ0，其中σ1和σ0分別為螺栓和船體材料的屈服強度。由于該剖面還存在剪力，剪力設(shè)計為由螺栓座承受（螺栓不承受剪力），則該處承受剪力面積應(yīng)滿足：

式中：δ1為螺栓處底座抗剪面面積，cm2。

由此可見，船體縱向模塊連接處滿足式（3）和式（4），則滿足船體梁-螺栓強度等效原則。

3 橫向結(jié)構(gòu)—螺栓強度等效原則

橫向強度是船體橫向結(jié)構(gòu)抵抗相應(yīng)外力的能力。通常橫向強度計算僅考慮船體所承受的各種局部載荷及舷外水壓力的作用，不考慮船體梁彎矩（包括垂向和水平）的作用。

由于可拆解組合式船舶縱艙壁結(jié)構(gòu)間也采用螺栓連接（見圖1），當(dāng)船舶在斜浪或橫浪航行時，船底/舷側(cè)受到不對稱波浪力，從而對螺栓產(chǎn)生力?？紤]到該種應(yīng)力水平較低且與CCS 規(guī)范對船體橫向強度要求類似，本文參考CCS 規(guī)范提出了橫向結(jié)構(gòu)-螺栓強度等效原則，即螺栓強度應(yīng)能承受除船體梁彎矩（包括垂向和水平）以外的載荷及舷外水壓力能力。

CCS 規(guī)范［2］對船體橫向強度計算采用FEM 方法，其舷外水壓力載荷由靜水壓力和波浪水動壓力兩部分組成，載荷作用分布情況見下頁圖4 所示。

在基線處：

其中：

圖4 載荷作用分布情況

式中：L為船長，m；d為吃水，m；D為型深，m。

P0按式（9）計算：

計算工況分為對稱工況和非對稱工況，計算衡準(zhǔn)如表2 所示，僅考慮連接船體橫向結(jié)構(gòu)的螺栓強度，其邊界條件為兩端橫艙壁處全約束。

表2 計算衡準(zhǔn)N/mm2

4 等效計算

4.1 船體梁—螺栓強度等效計算

本文采用CCS 規(guī)范計算軟件COMPASS，計算螺栓連接處的橫剖面特性，其中定義A 剖面為船體縱向構(gòu)件剖面，B 剖面為螺栓構(gòu)件剖面（螺栓定義為梁結(jié)構(gòu)，按照實際尺寸建模；剖面中板厚為0 mm，僅將螺栓計入橫剖面特性計算），具體模型如圖5 所示。

圖5 橫剖面模型

COMPASS 計算A、B 橫剖面特性，結(jié)果見表3。

表3 橫剖面特性計算結(jié)果

由表2 可知，maxλ= 2.694，螺栓為M42，8.8級（屈服強度640 N/mm2），而λ=σ1/σ0= 640 / 235=2.723 均大于2.694，所以螺栓強度滿足要求。另外由于剪應(yīng)力由螺栓座承受（螺栓座結(jié)構(gòu)參見圖2），經(jīng)計算δ1/S0= 8 553 / 1 675 = 5.11 ≥1，滿足設(shè)計要求。

綜上，橫艙壁間承擔(dān)總縱強度的螺栓強度滿足等效原則，達到設(shè)計要求，不需要進行其他方法校核。下文對連接船體結(jié)構(gòu)橫向構(gòu)件的螺栓利用有限元法進行驗證。

4.2 橫向結(jié)構(gòu)—螺栓強度等效計算

根據(jù)文中第3 節(jié)的橫向強度校核方法，本文使用MSC Patran/Nastran 軟件，僅對縱艙壁連接處的甲板/船底螺栓及螺栓底座結(jié)構(gòu)強度進行校核，有限元模型包含甲板板、縱/橫艙壁板、甲板板、實肋板、螺栓底座板等采用板單元模擬，扶強材、甲板橫梁、螺栓等采用梁單元模擬，如圖6 所示。

圖6 橫向強度有限元模型

由于僅考慮橫向強度，故模型未對舷側(cè)螺栓進行有限元建模，僅考慮縱艙壁處的甲板/船底的螺栓結(jié)構(gòu)。按照第3 節(jié)所述方法（載荷、邊界條件、計算衡準(zhǔn)），經(jīng)計算結(jié)果如下頁圖7 所示。

結(jié)果分析：螺栓底座應(yīng)力水平較高，是因其結(jié)構(gòu)局部剛度較大且承擔(dān)螺栓集中力載荷所致；螺栓應(yīng)力水平較低，主要因船舶橫向局部載荷導(dǎo)致橫向分離力較小且垂向的剪力由螺栓底座承擔(dān)所致。

圖7 有限元計算結(jié)果

5 結(jié) 語

可拆解組合式船舶屬于一種新穎設(shè)計，現(xiàn)行規(guī)范體系中沒有適合的方法對其進行強度校核。本文從船體梁基本原理出發(fā)，結(jié)合CCS 規(guī)范提出了科學(xué)的、合理可行的船體梁-螺栓強度等效原則，橫向結(jié)構(gòu)-螺栓強度等效原則，最終將該理論應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計，使該項目能夠順利完成，為后續(xù)該類船舶設(shè)計與審圖提供了有益的參考。