黃漢標，吳梵，宋金明

(1:海軍工程大學艦船工程系，武漢 430033;2:舟山監(jiān)修室，浙江 舟山 316000)

基于不同規(guī)范的某船船體結構總縱強度評估對比

黃漢標1，吳梵1，宋金明2

(1:海軍工程大學艦船工程系，武漢 430033;2:舟山監(jiān)修室，浙江 舟山 316000)

基于《水面艦艇入級規(guī)范》《艦船通用規(guī)范》，對某船進行垂向波浪載荷計算、總縱屈服和極限強度評估，結果表明:《水面艦艇入級規(guī)范》對第二類艦艇中垂狀態(tài)下的波浪載荷的計算可能對波浪的沖擊作用考慮不足;總彎曲應力的計算未考慮縱向構件的失穩(wěn)和局部載荷引起彎曲應力合成等影響，計算方法偏簡單;極限狀態(tài)下的對波浪的砰擊作用可能考慮不夠，給出的極限強度儲備系數(shù)相對偏小。

入級規(guī)范;總縱強度;評估;對比

水面艦艇的技術狀態(tài)評估一直備受關注，然而目前我國并沒有成熟統(tǒng)一的標準。服役中的老齡艦艇的狀態(tài)鑒定評估主要依據國軍標、艦艇原有技術規(guī)格書。對于艦艇的技術狀態(tài)評估，歐美發(fā)達國家相繼開展軍船入級工作并頒布了各自的規(guī)范［1］，把軍艦設計標準和民船入級規(guī)范合并于船級社規(guī)范，既節(jié)省資源，降低成本，又使得艦船得到更加妥善的維護與保養(yǎng)［2-4］。

軍船入級是實現(xiàn)在役水面艦艇技術狀態(tài)監(jiān)管的有效途徑［5］。我國船級社于2011年頒布了《水面艦艇入級規(guī)范》［6］(以下簡稱《入級規(guī)范》)，填補了技術標準的空白，初步具備了軍船入級的條件。但是《入級規(guī)范》對軍船狀態(tài)評估的適用性有待研究考證。本文基于《入級規(guī)范》與GJB4000-2000《艦船通用規(guī)范》［7］(以下簡稱《軍規(guī)》)對某船進行船體結構強度評估研究，主要涉及船體梁波浪載荷計算、總縱屈服強度和極限強度評估等內容。

1 船體結構垂向波浪載荷計算

1．1 《入級規(guī)范》關于垂向波浪載荷的計算

引入相對航速將水面艦艇分為兩類，分類情況如下。

式中:V——設計航速，kn;

▽——排水體積，m3。

1)第一類水面艦艇。

式中:MWVH，MWVS——中拱、中垂波浪彎矩;

FM——彎矩分布因子; Cb——方形系數(shù); CW——波浪系數(shù);

CA——計及航速和弗勞德數(shù)的系數(shù)。

波浪彎矩引起的垂向剪力QWV按式(3)計算

式中:FQ——正負剪力分布因子。

2)第二類水面艦艇。中垂和中拱狀態(tài)下垂向總縱彎矩均按式(4)計算，最大剪力按式(5)計算。

式中:MV——總縱彎矩;

QV——最大剪力;

C1——系數(shù)，中拱C1=1，中垂C1=－1;

n——過載系數(shù);

lx——船舯前后半體重心的縱向距離之半;

BS——沖擊面積的寬度;

T——設計吃水;

△——排水量。

1．2 《軍規(guī)》關于垂向波浪載荷的計算

取波長等于艦艇設計水線長，計算波高按式(6)確定。

式中:h——計算波高，m;

L——艦艇設計水線長，m。

船體任意剖面處的垂向波浪附加彎矩和剪力按式(7)和(8)計算。

式中:MX——坐標為X的剖面可能達到最大垂向波浪附加彎矩值;

X——自船舯沿船長方向至所校核截面的縱坐標;

MWX——波峰或波谷位于船舯時，X剖面中所得的波浪附加彎矩值;

QW——波浪附加剪力。

1．3 實船波浪載荷計算分析

以某船為例，計算正常排水量下的船體梁波浪載荷，該船主尺度見表1。

表1 某船的主尺度與排水量

則由表1得到:V/▽0．1667=8．35≥7．38，屬于第二類艦艇。船體梁波浪載荷的計算結果對比見表2。

表2 船體梁波浪彎矩對比104(kN·m)

因第二類水面艦艇剪力值的規(guī)律與彎矩值規(guī)律相同，故表2中只列出彎矩計算值對比情況，《軍規(guī)》的波浪彎矩值計及砰擊彎矩。從表2中可以看出:第二類水面艦艇，中拱狀態(tài)下兩套規(guī)范的計算值相差很小;中垂狀態(tài)下《入級規(guī)范》計算值偏小17.73%。中垂狀態(tài)下的偏差較大，說明此狀態(tài)下可能對船體的沖擊作用考慮不足，應通過大量實船進一步驗證。

2 船體結構總縱屈服強度評估

2．1 總縱彎曲應力計算

《入級規(guī)范》與《軍規(guī)》均基于經典梁理論，把連續(xù)縱向構件構成的船體視為變斷面的空心薄壁梁，總縱彎曲應力按式(9)和式(10)計算。

式中:M——校核剖面的總縱彎矩;

W——剖面模數(shù);

QV——垂向剪力;

S——計算位置的上部或者下部的構件對

中和軸的靜矩;

I——剖面慣性矩;

t——計算點板厚。

2．2 總彎曲應力校核衡準

總彎曲應力校核衡準方面，《入級規(guī)范》與《軍規(guī)》的差別較大，《軍規(guī)》計及局部載荷引起的應力合成給出不同類別構件的校核衡準，具體對比情況見表3。

表3 總縱彎曲應力校核衡準

2．3 實船總縱屈服強度評估分析

因船舯受最大總縱彎矩作用，故對船舯處的總彎曲正應力和最大剪力剖面處的總縱彎曲剪應力進行校核［8］。根據船體材料，σS=450 MPa，則k取值0.58。校核結果見表4。

表4 總彎曲應力校核

雖然按照《入級規(guī)范》和《軍規(guī)》對某船總縱屈服強度評估均滿足各自規(guī)范要求，但是對于總彎曲應力的計算，《軍規(guī)》在計算過程中既考慮縱向構件的失穩(wěn)折減又計及局部載荷作用引起的彎曲應力合成，相比于《入級規(guī)范》更加安全。在校核衡準方面，《入級規(guī)范》只給出1種標準，而《軍規(guī)》中針對不同類別的構件給出了4種標準，對不同類別的構件分別進行校核，要求更為嚴格。

3 船體結構極限強度評估

3．1 船體梁極限彎矩計算

1)《入級規(guī)范》極限彎矩計算。基于逐步破壞原理，采用增量疊代的簡化方法得到船體梁剖面的彎矩-曲率曲線M-κ，見圖1，從而得到船體梁的極限彎矩MU。

圖1 彎矩-曲率曲線M-κ

2)《軍規(guī)》極限彎矩計算。采用直接計算法，假定極限彎矩作用下離中和軸最遠的構件達到屈服應力或板架臨界應力，其他構件應力按線性分布，對受壓構件進行失穩(wěn)折減計算折減剖面模數(shù)，船體梁的極限彎矩按照式(11)或(12)計算。

式中:Wyh，Wys——折減后的最小剖面模數(shù);

σcr——構件的臨界應力。

3．2 船體結構極限強度校核衡準

《入級規(guī)范》中只給出一個校核衡準，而《軍規(guī)》中則給出了兩個極限強度校核衡準，其所限制的船體強度有不同的側重點，具體校核衡準見表5。

表5 極限強度校核衡準對比

3．3 實船極限強度評估分析

船舯處承受最大垂向彎矩，極限狀態(tài)下最危險。又因中和軸位置偏船底一側，中垂狀態(tài)相對危險，故校核中垂狀態(tài)下船舯附近處的極限強度［9-10］。按照《入級規(guī)范》計算，得到船舯處M-κ見圖2。

圖2 船舯處M-κ曲線

MU1=2.081×105kN·m，

MV=1.074×105kN·m。

按照《軍規(guī)》計算得:

MU2=2.165×105kN·m，

MS+MW=6.422×104kN·m，

MS+MW+Md=1.506×105kN·m。校核情況見表6。

《入級規(guī)范》和《軍規(guī)》依據不同的原理計算船體梁的極限彎矩值。前者基于逐步破壞原理能夠較真實地反映船體梁的破壞形式;但是后者在計算的過程中考慮縱向構件失穩(wěn)折減并進行多次近似計算，所以兩者的極限彎矩計算值相差較小?！盾娨?guī)》計及砰擊振動彎矩后的極限載荷比《入級規(guī)范》超出較多，同時給出的極限強度儲備系數(shù)為2.6和1.5，對極限強度的要求相比于《入級規(guī)范》偏于保守。

表6 總縱極限強度校核

4 結論

1)《入級規(guī)范》在計算第二類水面艦艇的中垂狀態(tài)下波浪載荷時采用與中拱狀態(tài)相同的計算公式，可能對波浪沖擊作用考慮不足，偏小較多。建議參照其他規(guī)范分別給出不同狀態(tài)下的計算公式，并通過實船驗證，合理選取相關修正系數(shù)。

2)總縱屈服強度評估，《入級規(guī)范》的校核方法相對簡單，只給出1種校核衡準，可能不夠全面。建議參照《軍規(guī)》對船體縱向構件進行分類，并考慮縱向構件失穩(wěn)和局部載荷引起彎曲應力合成，給出不同的校核衡準。

3)極限強度評估時，《軍規(guī)》充分考慮極限狀態(tài)下波浪的砰擊作用，同時給出的極限強度儲備系數(shù)較大，對船體梁極限強度的要求相比于《入級規(guī)范》更保守。建議《入級規(guī)范》考慮軍船在高海情高航速下航行的特殊性，選擇合理的極限強度儲備系數(shù)。

4)《入級規(guī)范》在總縱強度和極限強度評估方面對我國軍船的適用性，本文只進行了初步論證，還應通過大量不同船長、不同設計航速的實船評估作進一步驗證。

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Comparative Study on Longitudinal Strength Assessment of Ship Based on Different Specifications

HUANG Han-biao1，WU Fan1，SONG Jin-ming2
(1.Dept.of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China; 2.Supervisor Room of Zhoushan，Zhoushan Zhejiang 316000，China)

Taking a real ship as example，the vertical wave loads，as well as the assessment methods of longitudinal yield and ultimate strength of The Classification Rules for Surface Ship and The General Specification for Naval Ships are studied. Comparing between the results of the two specifications，it can be concluded that:for the second type of naval ship，the wave impact force in the wave load in sagging condition in the Classification Rules may be not considered enough;the total bending stress calculation is easy，but not considering the buckling of longitudinal member and the composing of bending stress caused by local load;the wave slamming effect under the ultimate state may be not considered enough，and the ultimate strength reservation coefficient is relatively small.

classification rules;longitudinal strength;assessment;comparison

U661.43

A

1671-7953(2015)02-0040-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.010

2014-10-15

修回日期:2014-10-27

黃漢標(1989-)，男，碩士生

研究方向:船舶結構力學

E-mail:357941216@qq.com