王 麒 淋

（中國船級社審圖中心，上海 200135）

0 引 言

隨著世界航運市場競爭的日益激烈，成品油船日益受到投資者青睞。此類油船通常具有槽形橫、縱艙壁設計，而橫、縱艙壁的頂?shù)识瞬亢褪纸徊鎱^(qū)域多是應力集中區(qū)域。一般的有限元粗網(wǎng)格計算并不能準確地評估該節(jié)點的應力水平。以往，這些節(jié)點的設計以經(jīng)驗格式為主。在油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（CSR）推出之后，對原有油船設計和研發(fā)帶來很大的影響[1,2]。很多原有油船采用有限元軟件進行了強度評估[3～5]，但主要側(cè)重于新規(guī)范實施帶來的變化或者計算方法、計算工具的介紹，缺少對節(jié)點評估結(jié)論的詳細分析。

1 船體結(jié)構(gòu)細化有限元分析要求和步驟

船體結(jié)構(gòu)細節(jié)連接有兩類最基本的形式：1) 結(jié)構(gòu)幾何連接突變處，如：雙殼油船的底邊艙折角，超大型集裝箱船的內(nèi)殼和平臺的連接部位，這類結(jié)構(gòu)細節(jié)的構(gòu)造特點是結(jié)構(gòu)布置上的突變性；2) 肘板連接處，如：船體甲板縱骨與橫艙壁垂直扶強材的端部連結(jié)。

對于此類結(jié)構(gòu)細節(jié)的應力分析，通常采用細化網(wǎng)格的有限元分析法。國際船級社協(xié)會推出的油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范給出了油船結(jié)構(gòu)節(jié)點細化分析的具體實施要求和衡準。

1.1 建模要求

細化網(wǎng)格區(qū)域的網(wǎng)格尺寸應不大于50mm×50mm。一般情況下，細化網(wǎng)格區(qū)域的范圍在校核區(qū)域的所有方向應不少于10個單元。細化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的所有板材和筋應以板單元表示。

1.2 計算工況個數(shù)

對于只有一道縱艙壁的油船，計算工況（含動工況和靜工況）共23個[1]，如無風暴壓載工況，則計算工況共22個。

1.3 衡準

油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范對于遠離焊縫區(qū)域和鄰近焊縫區(qū)域，給出了不同的應力衡準，考慮到焊縫周圍由于焊接熱效應有可能導致的殘余應力，因此對焊縫區(qū)域的許用應力更小，即應力衡準更加嚴格（見表1）。

表1 應力衡準

1.4 細化網(wǎng)格有限元分析

分析流程見圖1。

圖1 細化網(wǎng)格有限元分析流程

2 節(jié)點分析及優(yōu)化實例

2.1 節(jié)點分析

選取一條典型的5萬噸級成品油船，其槽形橫艙壁端部和槽形橫、縱艙壁頂?shù)实装迨纸徊鎱^(qū)域的結(jié)構(gòu)形式見圖 2、3。根據(jù)艙段粗網(wǎng)格計算結(jié)果，頂?shù)实装迮c舷側(cè)水平桁相交處（見圖 2）、橫、縱艙壁頂?shù)实装逑嘟惶帲ㄒ妶D3）顯示出較明顯的應力集中，應進一步進行細化網(wǎng)格分析，細化模型見圖4、5，為準確描述肘板幾何形狀，細化網(wǎng)格尺寸達到 50mm×50mm甚至更小。值得注意的是，對于網(wǎng)格尺寸小于50mm×50mm的細化網(wǎng)格，應先等效化到50mm×50mm的網(wǎng)格后再進行應力評估。

計算結(jié)果表明，在肘板處（圖4、5中圓圈標示位置）顯示出應力集中嚴重，在B10港內(nèi)工況下達到最大，分別為461N/mm2和479N/mm2，位于肘板自由邊處，為拉應力，應力結(jié)果如圖6、7所示。肘板自由邊屬遠離焊縫單元，許用應力取為400N/mm2，故此處節(jié)點應力超過許用應力，須進一步加強。

圖4 節(jié)點1～2細化模型

圖5 節(jié)點3～6細化模型

圖6 節(jié)點1～2細網(wǎng)格應力云圖

圖7 節(jié)點3～6細網(wǎng)格應力云圖

為使節(jié)點設計改進有的放矢，詳細分析產(chǎn)生該兩處節(jié)點應力水平較高的原因：1) 由于槽型艙壁頂?shù)饰恢酶?，局部載荷小，其寬度、板厚均不及底凳，因此頂?shù)侍巹偠容^小。在B10工況（一邊空艙，一邊滿艙）承受側(cè)向載荷時，就會產(chǎn)生較大變形，導致頂?shù)识瞬繎^高。進一步與母型船比較發(fā)現(xiàn)，為控制空船重量，槽型橫艙壁的幾何形狀由半舷6個槽條減少為半舷4個槽條，進一步降低了橫艙壁的整體剛度；2) 十字交叉區(qū)域，肘板尺寸過小，不足以承受交叉區(qū)域的剪力，以致在橫向、縱向結(jié)構(gòu)過渡處產(chǎn)生較大的應力集中。

2.2 節(jié)點設計優(yōu)化

設計了4種不同方案，以改善節(jié)點的應力。

2.2.1 增設主要支撐構(gòu)件

為加強頂?shù)侍幍恼w剛度，在橫艙壁頂?shù)士缇嘀悬c處，沿原有甲板縱骨增設一道縱向強支撐結(jié)構(gòu)，見圖8中陰影區(qū)域。計算結(jié)果見圖9、10，最大應力分別為440N/mm2和474N/mm2，分別減小4.6%、1.0%，仍不滿足衡準要求。

圖8 方案1結(jié)構(gòu)加強

圖9 方案1加強后節(jié)點1～2應力云圖

圖10 方案1加強后節(jié)點3～6應力云圖

2.2.2 增加板厚

將十字交叉區(qū)域的板厚由25AH32加強至27AH32，計算結(jié)果見圖11、12，最大應力分別為441N/mm2和460N/mm2，分別減小4.3%、4.0%，仍不滿足衡準要求。

圖11 方案2加強后節(jié)點1～2應力云圖

圖12 方案2加強后節(jié)點3～6應力云圖

2.2.3 肘板處增設面板

在節(jié)點1～6的肘板處增設FB100X25AH32的對稱面板，以增加肘板剛度，計算結(jié)果見圖13、14，最大應力分別為432N/mm2和558N/mm2，分別減小6.3%和增加16.5%。由圖13、14可以看出，肘板邊緣的應力大幅降低，但肘板趾端出現(xiàn)應力集中。肘板趾端屬鄰近焊縫區(qū)域，衡準要求應取為362N/mm2，這樣雖然肘板圓弧處應力降低，但是肘板趾端的應力卻超出了衡準，仍未達到節(jié)點改善之目的。另外由于面板為上下對稱形式，洗艙時肘板上部面板處的油污將較難去除，會對洗艙帶來不利影響。

圖13 方案3加強后節(jié)點1～2應力云圖

圖14 方案3加強后節(jié)點3～6應力云圖

2.2.4 增大肘板尺寸

參照中國船級社（CCS）規(guī)范中有關(guān)主要支撐構(gòu)件端肘板的臂長要求[6]，將節(jié)點1處的肘板由550mm×550mm/R600mm增大至900mm×900mm/R1200mm，將節(jié)點2處的肘板由700mm×700mm/R800mm增大至900mm×900mm/R1200mm，計算結(jié)果如圖15、16，最大應力分別為412N/mm2和404N/mm2，分別下降10.6%、15.7%。最終結(jié)果滿足衡準要求。

圖15 方案4加強后節(jié)點1～2應力云圖

圖16 方案4加強后節(jié)點3～6應力云圖

2.2.5 計算結(jié)果

頂?shù)实装迮c舷側(cè)水平桁相交處以及橫、縱艙壁頂?shù)实装迨纸徊嫣幉煌倪M方案的計算結(jié)果匯總見表2。

表2 不同方案的計算結(jié)果匯總

比較不同方案的計算結(jié)果可知：應力集中的主要原因在于肘板尺寸太小，以致橫向與縱向結(jié)構(gòu)相交處的應力得不到釋放。采用增設主要支撐構(gòu)件（方案1）或增加板厚（方案2），并不能有效地降低節(jié)點應力結(jié)果，而且會增加較多的空船重量；采用增設肘板面板（方案3），雖然可以降低肘板邊緣處的應力，但引起肘板趾端的應力集中。故最終確定方案4，即：增大肘板臂長及圓弧半徑。最終應力結(jié)果相比原結(jié)果分別減小了10.6%和15.7%，滿足衡準要求，且每檔橫艙壁處增加空船重量僅約為0.067t。

3 結(jié) 語

采用細化網(wǎng)格分析法能夠清晰反映結(jié)構(gòu)在較小區(qū)域內(nèi)的梯度變化，為船舶結(jié)構(gòu)細節(jié)設計提供了可靠的依據(jù)。

針對該成品油船典型節(jié)點的細化分析，可以得到以下結(jié)論：

1) 成品油船的槽形橫艙壁頂?shù)侍巹偠容^小，故其十字交叉區(qū)域結(jié)構(gòu)過渡處會出現(xiàn)較大應力集中；

2) 對于成品油船的槽形橫艙壁頂?shù)实装迮c舷側(cè)水平桁相交處以及槽形橫、縱艙壁頂?shù)适纸徊鎱^(qū)域，在設計時，肘板臂長和相應的圓弧半徑不宜太小，至少應與頂?shù)实装宓膶挾认喈敗?/p>

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