陸月

(中國(guó)船級(jí)社 廣州審圖中心，廣州 510235)

《散貨船和油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(HCSR)》要求主要構(gòu)件端部肘板臂長(zhǎng)應(yīng)不小于主要支撐構(gòu)件的腹板高度[1-2]。實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)SOLAS公約要求需要在甲板強(qiáng)橫梁端部設(shè)置結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)通道，常用的布置一般是在橫梁端肘板下設(shè)置格柵式走道，或者在強(qiáng)橫梁端部腹板上開設(shè)人孔并在開孔下設(shè)置高腹板骨材作為走道。格柵式走道成本高，維護(hù)難，且需要在縱艙壁上焊接支點(diǎn)，對(duì)縱艙壁特別是槽型縱艙壁壁板結(jié)構(gòu)不利。而設(shè)置端部開孔通道型式簡(jiǎn)單，基本無(wú)需維護(hù)，同時(shí)走道結(jié)構(gòu)可以參與船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，是更優(yōu)的選擇。開孔的最小尺寸為800 mm×600 mm，且需要保證走道距離甲板高度不小于1.6 m[3]，典型甲板強(qiáng)橫梁端部開孔通道結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 典型甲板強(qiáng)橫梁端部開孔通道結(jié)構(gòu)示意

但是，甲板強(qiáng)橫梁端部的開孔會(huì)形成空腹梁[4]，對(duì)其強(qiáng)度特性會(huì)產(chǎn)生一定影響[5]。HCSR在結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算中對(duì)強(qiáng)橫梁端部肘板高度有要求，并將強(qiáng)橫梁簡(jiǎn)化為端部固支的單跨梁，給出強(qiáng)度計(jì)算中彎曲跨距和剪切跨距的度量方法，端部開孔是否會(huì)削弱強(qiáng)橫梁端部剛度，影響固支簡(jiǎn)化及跨距量取有效性，影響計(jì)算精度。實(shí)際設(shè)計(jì)中，可增加強(qiáng)橫梁端部腹板高度，緩解開孔帶來(lái)的結(jié)構(gòu)削弱，但對(duì)于設(shè)置縱向槽型艙壁的船舶，由于強(qiáng)橫梁端部與縱艙壁頂?shù)实倪B接布置限制，無(wú)法升高端部腹板高度。對(duì)于腹板高度不受限制的船型，升高腹板高度則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量的增加。

為此，針對(duì)某HCSR油船，建立甲板板架結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)比分析強(qiáng)橫梁端部設(shè)置開孔通道及端部腹板升高時(shí)的變形和應(yīng)力；對(duì)比不同尺度HCSR油船甲板強(qiáng)橫梁設(shè)置開孔通道對(duì)強(qiáng)橫梁強(qiáng)度的影響，探討在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許的情況下，甲板強(qiáng)橫梁端部開孔的可行設(shè)計(jì)方案。

1 端部開孔時(shí)的甲板強(qiáng)橫梁強(qiáng)度特性

某HCSR油船，其甲板強(qiáng)橫梁端部設(shè)有人孔800 mm×600 mm，端部高度等于2倍腹板高度。以此為基礎(chǔ)，建立3個(gè)甲板板架結(jié)構(gòu)對(duì)比模型。模型①甲板強(qiáng)橫梁端部不開孔；模型②甲板強(qiáng)橫梁端部開孔，端部高度等于開孔高度加2倍腹板高度；模型③甲板強(qiáng)橫梁端部開孔，端部高度等于2倍腹板高度(即為本船實(shí)際情況)。具體見表1。

表1 對(duì)比模型信息

應(yīng)用有限元軟件MSC.Patran/Nastran建立模型，見圖2。

圖2 有限元對(duì)比模型

對(duì)3個(gè)模型施加同樣的邊界和載荷，強(qiáng)橫梁端面固支；甲板上施加HCSR-SDP中所有動(dòng)、靜工況下的最大載荷。甲板板架結(jié)構(gòu)中間強(qiáng)橫梁的計(jì)算結(jié)果見圖3～5。

圖3 強(qiáng)橫梁變形云圖

由圖3～5可以看出，除去甲板縱骨、端部開孔周圍的應(yīng)力集中區(qū)域，3個(gè)模型強(qiáng)橫梁整體變形、應(yīng)力的分布基本相當(dāng)。提取圖3～5中強(qiáng)橫梁最大變形、抗彎跨距端部的面板最小組合應(yīng)力，抗剪跨距端部的腹板最大剪切應(yīng)力，見表2。

表2 3種模型最大變形和應(yīng)力對(duì)比

表2顯示，在相同條件下，模型②強(qiáng)橫梁較模型①?gòu)?qiáng)橫梁抗變形能力提高了22.6%，抗剪能力提高了15.5%。模型③強(qiáng)橫梁較模型①?gòu)?qiáng)橫梁抗變形能力減少了3.3%，抗剪能力提高了0.3%。

模型②強(qiáng)度特性較模型①有顯著提高，模型③強(qiáng)度特性與模型①相當(dāng)。因此，對(duì)本船而言，沒必要在強(qiáng)橫梁端部開孔的情況下，增大端部總高度使其滿足HCSR規(guī)范布置要求，現(xiàn)有端部形式已經(jīng)具有足夠的強(qiáng)度。

2 端部開孔的強(qiáng)橫梁最小腹板高度

船舶尺度減小時(shí)，甲板強(qiáng)橫梁腹板高度也會(huì)相應(yīng)減小。但由于檢驗(yàn)通道的開孔尺寸至少需達(dá)到800 mm×600 mm，且需要保證走道距離甲板高度不小于1.6 m，隨著強(qiáng)橫梁腹板高度的減小，端部開孔對(duì)強(qiáng)橫梁的變形、應(yīng)力影響逐漸增大[6-7]，當(dāng)達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，端部開孔會(huì)削弱強(qiáng)橫梁端部剛度，影響固支簡(jiǎn)化及跨距量取有效性。

圖4 強(qiáng)橫梁面板最小組合應(yīng)力云圖對(duì)比

圖5 強(qiáng)橫梁剪切應(yīng)力云圖對(duì)比

上節(jié)計(jì)算中甲板強(qiáng)橫梁腹板高度為1.2 m，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)選取兩艘較小尺度的船舶，腹板高度分別為1.1 m及1.0 m，端部高度分別為2.2 m及2.0 m，建立甲板板架模型，對(duì)比不同腹板高度情況下，端部開孔與否時(shí)強(qiáng)橫梁的強(qiáng)度特性。

相同腹板高度，端部開孔與否,強(qiáng)橫梁整體變形、應(yīng)力的分布基本相當(dāng)，但腹板高度為1 m時(shí)，端部開孔附近出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。

忽略甲板縱骨、端部開孔周圍的應(yīng)力集中區(qū)域，提取強(qiáng)橫梁腹板高度每減小0.1 m時(shí)，強(qiáng)橫梁最大變形、抗彎跨距端部的面板最大彎曲應(yīng)力，抗剪跨距端部的腹板最大剪切應(yīng)力，結(jié)果見表3。

表3 不同腹板高度的強(qiáng)橫梁最大變形和應(yīng)力對(duì)比(增加1.2 m數(shù)據(jù))

表3顯示，當(dāng)強(qiáng)橫梁腹板高度減小到1.1 m時(shí)，強(qiáng)橫梁端部開孔較不開孔時(shí)，抗彎能力減少7.8%；當(dāng)強(qiáng)橫梁腹板高度減小到1 m時(shí)，強(qiáng)橫梁端部開孔較不開孔時(shí)，抗彎能力減少14.8%，實(shí)際生產(chǎn)上已不可接受，結(jié)合開孔周圍出現(xiàn)明顯高應(yīng)力區(qū)，建議端部開孔的強(qiáng)橫梁最小腹板高度不小于1 m，否則需要增加端部腹板高度或端部不開設(shè)人孔，設(shè)置非結(jié)構(gòu)格柵平臺(tái)。

3 結(jié)構(gòu)輕量化

甲板強(qiáng)橫梁端部設(shè)置800 mm×600 mm開孔(后簡(jiǎn)稱開孔類型①)，不增加端部腹板高度也可以滿足HCSR-SDP的要求。實(shí)際設(shè)計(jì)中，根據(jù)端部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，還可以采用更大的開孔，如圖6所示(以下簡(jiǎn)稱開孔類型②)，其高度仍為800 mm。

圖6 強(qiáng)橫梁端部開孔類型②結(jié)構(gòu)示意

腹板高度在1.2 m時(shí)，開孔類型①和開孔類型②的甲板板架結(jié)構(gòu)中間強(qiáng)橫梁的變形、應(yīng)力對(duì)比見圖7～9。

圖8 兩種開孔強(qiáng)橫梁面板最小組合應(yīng)力云圖對(duì)比

圖9 兩種開孔強(qiáng)橫梁剪切應(yīng)力云圖對(duì)比

圖7～9顯示，兩種開孔下，強(qiáng)橫梁整體變形、應(yīng)力的分布基本相當(dāng)。提取強(qiáng)橫梁最大變形、抗彎跨距端部的面板最大彎曲應(yīng)力和抗剪跨距端部的腹板最大剪切應(yīng)力，結(jié)果見表4。

表4 兩種開孔強(qiáng)橫梁對(duì)比

表4顯示，在相同條件下，應(yīng)用開孔類型②的強(qiáng)橫梁較開孔類型①的強(qiáng)橫梁，抗剪切能力減弱了2.3%，兩類開孔的強(qiáng)橫梁強(qiáng)度特性基本相當(dāng)，但開孔類型②比開孔類型①減少79.8%的面積。應(yīng)用開孔類型②有助于船體結(jié)構(gòu)輕量化。

4 端部開孔周圍高應(yīng)力區(qū)分析

此前的分析未考慮端部開孔周圍的應(yīng)力集中，這些局部高應(yīng)力區(qū)是否存在安全風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合HCSR-DSA局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求進(jìn)行分析。采用開孔類型②的某HCSR油船中間艙橫框架有限元模型(增加艙段模型截圖)見圖10，其甲板強(qiáng)橫梁端部高度為2倍腹板高度。

圖10 采用開孔類型②的某HCSR船中間艙橫框架

根據(jù)HCSR-DSA粗網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果，當(dāng)甲板強(qiáng)橫梁端部開孔時(shí)，與之相交的其他強(qiáng)構(gòu)件均滿足規(guī)范要求。根據(jù)HCSR-DSA細(xì)化建模要求對(duì)甲板強(qiáng)橫梁端部開孔進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，細(xì)網(wǎng)格區(qū)域中的所有板均使用殼單元建模,單元長(zhǎng)寬比盡可能接近1，網(wǎng)格尺寸不大于50 mm×50 mm，網(wǎng)格密度由細(xì)網(wǎng)格區(qū)域至細(xì)網(wǎng)格模型的邊界應(yīng)保持光滑過度。使用子模型映射法施加HCSR-DSA要求的工況載荷和邊界。開孔周圍的應(yīng)力評(píng)估結(jié)果顯示，各工況下細(xì)化網(wǎng)格屈服利用因子與細(xì)化網(wǎng)格許用利用因子的最大比值為0.668，足以滿足HCSR規(guī)范要求。具體結(jié)果見圖11。

圖11 細(xì)化網(wǎng)格屈服利用與許用利用因子比值

因此，端部開孔周圍的應(yīng)力集中區(qū)域不會(huì)對(duì)甲板強(qiáng)橫梁的強(qiáng)度有很大的不利影響。

5 結(jié)論

1)HCSR油船甲板強(qiáng)橫梁端部設(shè)置開孔通道的情況下，端部高度等于2倍腹板高度時(shí)，強(qiáng)橫梁已經(jīng)具有足夠的強(qiáng)度，沒必要額外增加端部高度使其滿足HCSR規(guī)范布置要求。

2)由于端部開孔通道有最小尺寸限制，為滿足強(qiáng)度要求，端部開孔的強(qiáng)橫梁最小腹板高度建議不小于1.0 m。

3)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用開孔類型②可以在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，減少更多強(qiáng)橫梁腹板面積，對(duì)船體結(jié)構(gòu)輕量化有幫助。

4)在甲板強(qiáng)橫梁整體強(qiáng)度滿足HCSR規(guī)范要求的前提下，端部開孔周圍的應(yīng)力集中區(qū)域?qū)装鍙?qiáng)橫梁強(qiáng)度的影響有限。