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)范的出臺也是人類造船理念和對海洋環(huán)境認識不斷深化、更加理智的結(jié)果。過去的幾十年中,由于各船級社制定各自規(guī)范,船東選擇滿足其需要的船級。從經(jīng)濟利益上考慮,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)致一些船舶強度達不到使用壽命要求,而這些不夠堅實的船舶在營運 10年后逐漸會顯現(xiàn)出危險性。IACS(國際船級社協(xié)會)共同規(guī)范是IMO(國際海事組織)目標型船舶標準概念逐步應(yīng)用的結(jié)果,其目標是船舶設(shè)計和建造的結(jié)構(gòu)要立足于維護船舶營運期間安全。也就是說保證船舶在整個生命周期內(nèi)(25年內(nèi))都保持一個基本的安全水平,以避免船舶營運期間船東維護不足或缺乏維護而導(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)強度直接強度分析和結(jié)構(gòu)細部疲勞分析的內(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高強度鋼、AH36高強度鋼。本船貨艙區(qū)域為雙底雙舷側(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 屈服強度分析

2.1 評估依據(jù)

根據(jù)IACS《散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》2006版(以下簡稱“共同規(guī)范”)要求,本規(guī)范適用于船長 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)用直接計算方法進行強度計算,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,計算載荷計及艙內(nèi)貨物、舷外水載荷以及斷面彎矩。

2.2 計算工況

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)和部分高強度鋼(AH36),其中材料換算系數(shù)K分別為1.0、0.72。考查應(yīng)力為有限元分析中得到的平面單元中心的VonMise相當應(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 屈曲強度分析

3.1 船舶屈曲分析概述

船舶的發(fā)展趨勢是向大型化、輕型化、高速化和多樣化發(fā)展,船體總強度問題愈益受到重視。長期以來,船體總縱強度采用經(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)計方法正逐步被引入船舶設(shè)計領(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筋(縱骨)和橫向骨材(橫梁)的板架結(jié)構(gòu)組成。當船舶在海上航行時,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,因此在中垂狀態(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明顯地削弱整個船體的總縱強度,但是隨著總縱彎矩的增大,失效的板格單元會不斷增多,最終導(dǎo)致船體發(fā)生整體破壞。屈曲強度和極限強度即為計算船體結(jié)構(gòu)抵抗外載荷的最大承載能力。它們對于船體結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟性和足夠的強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)件衡準因子匯總表見表 2。

表2 構(gòu)件衡準因子匯總

4 疲勞強度分析

4.1 疲勞分析概述

根據(jù)CSR規(guī)范,疲勞強度計算分為兩種方法,即名義應(yīng)力法和熱點應(yīng)力法。它們根據(jù)結(jié)構(gòu)不同特點應(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,即縱向扶強材與橫艙壁以及強肋骨之間的端部節(jié)點,這里強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、強力甲板的強肋骨;熱點應(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 熱點部位的確定

在針對本船三艙段有限元模型的基礎(chǔ)上,選取對疲勞強度較為敏感的部位進行局部細化,采用嵌入式細化模型對這些應(yīng)力水平較高的部位進行熱點應(yīng)力的直接計算:

①貨艙口角隅;

②底邊艙與內(nèi)底板,橫向強框架連接處。

4.3 疲勞損傷計算

根據(jù)規(guī)范,疲勞損傷計算按照以下步驟進行:熱點應(yīng)力→等效切口應(yīng)力→對等效切口應(yīng)力進行修正→累計疲勞損傷。

4.4 累計疲勞損傷

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

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

5 CSR規(guī)范和CCS指南異同點

相同點:CSR規(guī)范和CCS指南在進行結(jié)構(gòu)強度直接計算分析時,都是采用三維艙段有限元模型來進行分析;CSR規(guī)范和CCS指南有限元模型單元的劃分主要依據(jù)縱骨或加強筋來布置,即所謂的細網(wǎng)格模型,結(jié)構(gòu)單元以板單元和梁單元居多,采用少部分桿單元。

表3 疲勞損傷計算結(jié)果匯總表

不同點: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計算結(jié)果的影響。其次,按照 CSR規(guī)范和CCS指南進行艙段有限元分析時,其邊界條件的處理、載荷的計算原理、計算工況的選擇及許用應(yīng)力的值都有所不同。比如 CSR規(guī)范在校核船體各個構(gòu)件的強度時,統(tǒng)一采用了 235/k(k為材料系數(shù))這個值,而CCS指南的強度標準,對船體各構(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;模型更合理、有效,結(jié)果也更準確、全面。

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