黃漢標(biāo)，吳梵，宋金明

(1:海軍工程大學(xué)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(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度評(píng)估對(duì)比

黃漢標(biāo)1，吳梵1，宋金明2

(1:海軍工程大學(xué)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(jí)規(guī)范》《艦船通用規(guī)范》，對(duì)某船進(jìn)行垂向波浪載荷計(jì)算、總縱屈服和極限強(qiáng)度評(píng)估，結(jié)果表明:《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》對(duì)第二類艦艇中垂?fàn)顟B(tài)下的波浪載荷的計(jì)算可能對(duì)波浪的沖擊作用考慮不足;總彎曲應(yīng)力的計(jì)算未考慮縱向構(gòu)件的失穩(wěn)和局部載荷引起彎曲應(yīng)力合成等影響，計(jì)算方法偏簡單;極限狀態(tài)下的對(duì)波浪的砰擊作用可能考慮不夠，給出的極限強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)相對(duì)偏小。

入級(jí)規(guī)范;總縱強(qiáng)度;評(píng)估;對(duì)比

水面艦艇的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估一直備受關(guān)注，然而目前我國并沒有成熟統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。服役中的老齡艦艇的狀態(tài)鑒定評(píng)估主要依據(jù)國軍標(biāo)、艦艇原有技術(shù)規(guī)格書。對(duì)于艦艇的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估，歐美發(fā)達(dá)國家相繼開展軍船入級(jí)工作并頒布了各自的規(guī)范［1］，把軍艦設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和民船入級(jí)規(guī)范合并于船級(jí)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(hù)與保養(yǎng)［2-4］。

軍船入級(jí)是實(shí)現(xiàn)在役水面艦艇技術(shù)狀態(tài)監(jiān)管的有效途徑［5］。我國船級(jí)社于2011年頒布了《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》［6］(以下簡稱《入級(jí)規(guī)范》)，填補(bǔ)了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的空白，初步具備了軍船入級(jí)的條件。但是《入級(jí)規(guī)范》對(duì)軍船狀態(tài)評(píng)估的適用性有待研究考證。本文基于《入級(jí)規(guī)范》與GJB4000-2000《艦船通用規(guī)范》［7］(以下簡稱《軍規(guī)》)對(duì)某船進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估研究，主要涉及船體梁波浪載荷計(jì)算、總縱屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度評(píng)估等內(nèi)容。

1 船體結(jié)構(gòu)垂向波浪載荷計(jì)算

1．1 《入級(jí)規(guī)范》關(guān)于垂向波浪載荷的計(jì)算

引入相對(duì)航速將水面艦艇分為兩類，分類情況如下。

式中:V——設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算

式中:FQ——正負(fù)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(jì)算，最大剪力按式(5)計(jì)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(shè)計(jì)吃水;

△——排水量。

1．2 《軍規(guī)》關(guān)于垂向波浪載荷的計(jì)算

取波長等于艦艇設(shè)計(jì)水線長，計(jì)算波高按式(6)確定。

式中:h——計(jì)算波高，m;

L——艦艇設(shè)計(jì)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(jì)算。

式中:MX——坐標(biāo)為X的剖面可能達(dá)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(biāo);

MWX——波峰或波谷位于船舯時(shí)，X剖面中所得的波浪附加彎矩值;

QW——波浪附加剪力。

1．3 實(shí)船波浪載荷計(jì)算分析

以某船為例，計(jì)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(jì)算結(jié)果對(duì)比見表2。

表2 船體梁波浪彎矩對(duì)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(jì)算值對(duì)比情況，《軍規(guī)》的波浪彎矩值計(jì)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(jì)算值相差很小;中垂?fàn)顟B(tài)下《入級(jí)規(guī)范》計(jì)算值偏小17.73%。中垂?fàn)顟B(tài)下的偏差較大，說明此狀態(tài)下可能對(duì)船體的沖擊作用考慮不足，應(yīng)通過大量實(shí)船進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 船體結(jié)構(gòu)總縱屈服強(qiáng)度評(píng)估

2．1 總縱彎曲應(yīng)力計(jì)算

《入級(jí)規(guī)范》與《軍規(guī)》均基于經(jīng)典梁理論，把連續(xù)縱向構(gòu)件構(gòu)成的船體視為變斷面的空心薄壁梁，總縱彎曲應(yīng)力按式(9)和式(10)計(jì)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(jì)算位置的上部或者下部的構(gòu)件對(duì)

中和軸的靜矩;

I——剖面慣性矩;

t——計(jì)算點(diǎn)板厚。

2．2 總彎曲應(yīng)力校核衡準(zhǔn)

總彎曲應(yīng)力校核衡準(zhǔn)方面，《入級(jí)規(guī)范》與《軍規(guī)》的差別較大，《軍規(guī)》計(jì)及局部載荷引起的應(yīng)力合成給出不同類別構(gòu)件的校核衡準(zhǔn)，具體對(duì)比情況見表3。

表3 總縱彎曲應(yīng)力校核衡準(zhǔn)

2．3 實(shí)船總縱屈服強(qiáng)度評(píng)估分析

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

表4 總彎曲應(yīng)力校核

雖然按照《入級(jí)規(guī)范》和《軍規(guī)》對(duì)某船總縱屈服強(qiáng)度評(píng)估均滿足各自規(guī)范要求，但是對(duì)于總彎曲應(yīng)力的計(jì)算，《軍規(guī)》在計(jì)算過程中既考慮縱向構(gòu)件的失穩(wěn)折減又計(jì)及局部載荷作用引起的彎曲應(yīng)力合成，相比于《入級(jí)規(guī)范》更加安全。在校核衡準(zhǔn)方面，《入級(jí)規(guī)范》只給出1種標(biāo)準(zhǔn)，而《軍規(guī)》中針對(duì)不同類別的構(gòu)件給出了4種標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同類別的構(gòu)件分別進(jìn)行校核，要求更為嚴(yán)格。

3 船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度評(píng)估

3．1 船體梁極限彎矩計(jì)算

1)《入級(jí)規(guī)范》極限彎矩計(jì)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(jì)算。采用直接計(jì)算法，假定極限彎矩作用下離中和軸最遠(yuǎn)的構(gòu)件達(dá)到屈服應(yīng)力或板架臨界應(yīng)力，其他構(gòu)件應(yīng)力按線性分布，對(duì)受壓構(gòu)件進(jìn)行失穩(wěn)折減計(jì)算折減剖面模數(shù)，船體梁的極限彎矩按照式(11)或(12)計(jì)算。

式中:Wyh，Wys——折減后的最小剖面模數(shù);

σcr——構(gòu)件的臨界應(yīng)力。

3．2 船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度校核衡準(zhǔn)

《入級(jí)規(guī)范》中只給出一個(gè)校核衡準(zhǔn)，而《軍規(guī)》中則給出了兩個(gè)極限強(qiáng)度校核衡準(zhǔn)，其所限制的船體強(qiáng)度有不同的側(cè)重點(diǎn)，具體校核衡準(zhǔn)見表5。

表5 極限強(qiáng)度校核衡準(zhǔn)對(duì)比

3．3 實(shí)船極限強(qiáng)度評(píng)估分析

船舯處承受最大垂向彎矩，極限狀態(tài)下最危險(xiǎn)。又因中和軸位置偏船底一側(cè)，中垂?fàn)顟B(tài)相對(duì)危險(xiǎn)，故校核中垂?fàn)顟B(tài)下船舯附近處的極限強(qiáng)度［9-10］。按照《入級(jí)規(guī)范》計(jì)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(jì)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(jí)規(guī)范》和《軍規(guī)》依據(jù)不同的原理計(jì)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(shí)地反映船體梁的破壞形式;但是后者在計(jì)算的過程中考慮縱向構(gòu)件失穩(wěn)折減并進(jìn)行多次近似計(jì)算，所以兩者的極限彎矩計(jì)算值相差較小?！盾娨?guī)》計(jì)及砰擊振動(dòng)彎矩后的極限載荷比《入級(jí)規(guī)范》超出較多，同時(shí)給出的極限強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)為2.6和1.5，對(duì)極限強(qiáng)度的要求相比于《入級(jí)規(guī)范》偏于保守。

表6 總縱極限強(qiáng)度校核

4 結(jié)論

1)《入級(jí)規(guī)范》在計(jì)算第二類水面艦艇的中垂?fàn)顟B(tài)下波浪載荷時(shí)采用與中拱狀態(tài)相同的計(jì)算公式，可能對(duì)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(jì)算公式，并通過實(shí)船驗(yàn)證，合理選取相關(guān)修正系數(shù)。

2)總縱屈服強(qiáng)度評(píng)估，《入級(jí)規(guī)范》的校核方法相對(duì)簡單，只給出1種校核衡準(zhǔn)，可能不夠全面。建議參照《軍規(guī)》對(duì)船體縱向構(gòu)件進(jìn)行分類，并考慮縱向構(gòu)件失穩(wěn)和局部載荷引起彎曲應(yīng)力合成，給出不同的校核衡準(zhǔn)。

3)極限強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，《軍規(guī)》充分考慮極限狀態(tài)下波浪的砰擊作用，同時(shí)給出的極限強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)較大，對(duì)船體梁極限強(qiáng)度的要求相比于《入級(jí)規(guī)范》更保守。建議《入級(jí)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(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)。

4)《入級(jí)規(guī)范》在總縱強(qiáng)度和極限強(qiáng)度評(píng)估方面對(duì)我國軍船的適用性，本文只進(jìn)行了初步論證，還應(yīng)通過大量不同船長、不同設(shè)計(jì)航速的實(shí)船評(píng)估作進(jìn)一步驗(yàn)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(biāo)(1989-)，男，碩士生

研究方向:船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)

E-mail:357941216@qq.com