呂瑋慶,于 濤,錢嘉佳

(南京市地方海事局,江蘇南京 210036)

0 引言

近 10余年來頻繁發(fā)生的海難事故和國際海事組織日益嚴(yán)格的環(huán)保要求是催生共同規(guī)范的主要因素。從技術(shù)發(fā)展來講,共同規(guī)范的出臺(tái)也是人類造船理念和對(duì)海洋環(huán)境認(rèn)識(shí)不斷深化、更加理智的結(jié)果。過去的幾十年中,由于各船級(jí)社制定各自規(guī)范,船東選擇滿足其需要的船級(jí)。從經(jīng)濟(jì)利益上考慮,船東要求船舶盡可能輕,以便裝載更多的貨物;船廠也要求船體盡量輕,以便節(jié)省材料獲取贏利。這可能導(dǎo)致一些船舶強(qiáng)度達(dá)不到使用壽命要求,而這些不夠堅(jiān)實(shí)的船舶在營(yíng)運(yùn) 10年后逐漸會(huì)顯現(xiàn)出危險(xiǎn)性。IACS(國際船級(jí)社協(xié)會(huì))共同規(guī)范是IMO(國際海事組織)目標(biāo)型船舶標(biāo)準(zhǔn)概念逐步應(yīng)用的結(jié)果,其目標(biāo)是船舶設(shè)計(jì)和建造的結(jié)構(gòu)要立足于維護(hù)船舶營(yíng)運(yùn)期間安全。也就是說保證船舶在整個(gè)生命周期內(nèi)(25年內(nèi))都保持一個(gè)基本的安全水平,以避免船舶營(yíng)運(yùn)期間船東維護(hù)不足或缺乏維護(hù)而導(dǎo)致船舶安全水平下降。本文就是在這一大背景下,主要研究IACS于2006年推出的共同規(guī)范——CSR規(guī)范中關(guān)于船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)細(xì)部疲勞分析的內(nèi)容。

1 船舶概況

31 000DWT散貨船為雙底單殼船,全船為鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu),采用普通鋼、AH 32高強(qiáng)度鋼、AH36高強(qiáng)度鋼。本船貨艙區(qū)域?yàn)殡p底雙舷側(cè)結(jié)構(gòu),設(shè)有頂邊艙和底邊艙,頂邊艙與底邊艙不連通;雙層底高1 480mm,實(shí)肋板間距2 250mm;并設(shè)有 6根雙層底縱桁:2根距中1 000mm旁縱桁、2根距中5 250mm旁縱桁、2根距中9 750mm旁縱桁;橫艙壁采用槽型艙壁結(jié)構(gòu)。31 000DWT散貨船總布置圖見圖1。

該散貨船主要量度為:

2 屈服強(qiáng)度分析

2.1 評(píng)估依據(jù)

根據(jù)IACS《散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》2006版(以下簡(jiǎn)稱“共同規(guī)范”)要求,本規(guī)范適用于船長(zhǎng) L為90m或以上,在全球不受限制航行的單舷側(cè)和雙舷側(cè)散貨船的船體結(jié)構(gòu),其貨艙區(qū)域主要構(gòu)件(縱向、橫向)應(yīng)用直接計(jì)算方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,建立三維有限元模型并使用CCS開發(fā)的CSR散貨船加載和邊界約束程序,計(jì)算載荷計(jì)及艙內(nèi)貨物、舷外水載荷以及斷面彎矩。

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)規(guī)范,該船有滿載(重貨)LC-1、滿載(輕貨)LC-2、非滿裝(重、輕貨)LC-3、正常壓載LC-4四個(gè)工況,考慮橫浪。

2.3 許用應(yīng)力

本船采用普通鋼(Mild)和部分高強(qiáng)度鋼(AH36),其中材料換算系數(shù)K分別為1.0、0.72?？疾閼?yīng)力為有限元分析中得到的平面單元中心的VonMise相當(dāng)應(yīng)力。

圖1 31000DWT散貨船總布置圖

2.4 屈服分析結(jié)果

最大應(yīng)力水平匯總表見表 1。

表1 最大應(yīng)力水平匯總

3 屈曲強(qiáng)度分析

3.1 船舶屈曲分析概述

船舶的發(fā)展趨勢(shì)是向大型化、輕型化、高速化和多樣化發(fā)展,船體總強(qiáng)度問題愈益受到重視。長(zhǎng)期以來,船體總縱強(qiáng)度采用經(jīng)典的線彈性理論。但近年來隨著技術(shù)和理論的提高,極限設(shè)計(jì)方法正逐步被引入船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域,這使得船體屈曲問題變得越來越突出。

船體主要是由具有縱向加強(qiáng)筋(縱骨)和橫向骨材(橫梁)的板架結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)船舶在海上航行時(shí),一般情況下,甲板及雙層底距離船中橫剖面的中和軸位置最遠(yuǎn),因此在中垂?fàn)顟B(tài)下,甲板承受較大的總縱彎曲面內(nèi)壓力,因而可能喪失其穩(wěn)定性;而在中拱狀態(tài)下,船底也會(huì)承受較大的總縱彎曲面內(nèi)壓力,同樣可能喪失其穩(wěn)定性。所以最先可能出現(xiàn)的損壞便是上甲板或船底結(jié)構(gòu)的受壓屈曲破壞。雖然局部板格單元的失效不會(huì)明顯地削弱整個(gè)船體的總縱強(qiáng)度,但是隨著總縱彎矩的增大,失效的板格單元會(huì)不斷增多,最終導(dǎo)致船體發(fā)生整體破壞。屈曲強(qiáng)度和極限強(qiáng)度即為計(jì)算船體結(jié)構(gòu)抵抗外載荷的最大承載能力。它們對(duì)于船體結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和足夠的強(qiáng)度裕度等方面具有十分重要的意義。

3.2 屈曲分析結(jié)果

構(gòu)件衡準(zhǔn)因子匯總表見表 2。

表2 構(gòu)件衡準(zhǔn)因子匯總

4 疲勞強(qiáng)度分析

4.1 疲勞分析概述

根據(jù)CSR規(guī)范,疲勞強(qiáng)度計(jì)算分為兩種方法,即名義應(yīng)力法和熱點(diǎn)應(yīng)力法。它們根據(jù)結(jié)構(gòu)不同特點(diǎn)應(yīng)用于船中和首尾區(qū)域的兩類構(gòu)件。名義應(yīng)力法主要應(yīng)用于縱向構(gòu)件,即縱向扶強(qiáng)材與橫艙壁以及強(qiáng)肋骨之間的端部節(jié)點(diǎn),這里強(qiáng)肋骨是指位于液貨艙范圍內(nèi)的艙底、內(nèi)底、舷側(cè)、內(nèi)殼、縱艙壁、強(qiáng)力甲板的強(qiáng)肋骨;熱點(diǎn)應(yīng)力法應(yīng)用于位于船中的內(nèi)底與邊艙斜板相交的折角部位。同以往船體結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估相同,這兩種方法都使用了材料疲勞特性曲線S-N曲線法,即它們是以P-Miner線性累積損傷準(zhǔn)則和基于一定應(yīng)力范圍類型的 SN曲線為基礎(chǔ)的。

4.2 熱點(diǎn)部位的確定

在針對(duì)本船三艙段有限元模型的基礎(chǔ)上,選取對(duì)疲勞強(qiáng)度較為敏感的部位進(jìn)行局部細(xì)化,采用嵌入式細(xì)化模型對(duì)這些應(yīng)力水平較高的部位進(jìn)行熱點(diǎn)應(yīng)力的直接計(jì)算:

①貨艙口角隅;

②底邊艙與內(nèi)底板,橫向強(qiáng)框架連接處。

4.3 疲勞損傷計(jì)算

根據(jù)規(guī)范,疲勞損傷計(jì)算按照以下步驟進(jìn)行:熱點(diǎn)應(yīng)力→等效切口應(yīng)力→對(duì)等效切口應(yīng)力進(jìn)行修正→累計(jì)疲勞損傷。

4.4 累計(jì)疲勞損傷

用合成等效應(yīng)力計(jì)算的累積疲勞損傷 D應(yīng)符合下列衡準(zhǔn):

D=∑jDj≤1.0

式中:Dj為各裝載工況“j”的基本疲勞損傷。

4.5 疲勞分析結(jié)果

使用CCS船級(jí)社開發(fā)的CCS-TOOLS程序?qū)Ω鳠狳c(diǎn)的疲勞損傷進(jìn)行計(jì)算。疲勞損傷計(jì)算結(jié)果見匯總表 3。表 3中,由于程序中累計(jì)損傷值只給出小數(shù)點(diǎn)后四位,所以角隅上表面D為0。

5 CSR規(guī)范和CCS指南異同點(diǎn)

相同點(diǎn):CSR規(guī)范和CCS指南在進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析時(shí),都是采用三維艙段有限元模型來進(jìn)行分析;CSR規(guī)范和CCS指南有限元模型單元的劃分主要依據(jù)縱骨或加強(qiáng)筋來布置,即所謂的細(xì)網(wǎng)格模型,結(jié)構(gòu)單元以板單元和梁?jiǎn)卧佣?采用少部分桿單元。

表3 疲勞損傷計(jì)算結(jié)果匯總表

不同點(diǎn):首先,CSR規(guī)范采用的是三艙段模型, CCS指南采用的是兩艙段模型。三艙段可以更好地消除邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。其次,按照 CSR規(guī)范和CCS指南進(jìn)行艙段有限元分析時(shí),其邊界條件的處理、載荷的計(jì)算原理、計(jì)算工況的選擇及許用應(yīng)力的值都有所不同。比如 CSR規(guī)范在校核船體各個(gè)構(gòu)件的強(qiáng)度時(shí),統(tǒng)一采用了 235/k(k為材料系數(shù))這個(gè)值,而CCS指南的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),對(duì)船體各構(gòu)件來說,則不盡相同。最后,CSR規(guī)范考慮的工況比一般規(guī)范更多、更細(xì);模型更合理、有效,結(jié)果也更準(zhǔn)確、全面。

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