郭勤靜，李　磊，陳書(shū)敏，李德江，王洪慶

(中集海洋工程研究院 研發(fā)部，山東 煙臺(tái) 264003)

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鉆井船干貨艙槽型艙壁端部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

郭勤靜，李磊，陳書(shū)敏，李德江，王洪慶

(中集海洋工程研究院 研發(fā)部，山東 煙臺(tái) 264003)

考慮到鉆井船干貨艙內(nèi)部縱橫艙壁均采用槽型艙壁，為了保證槽型艙壁端部與主甲板連接處的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及焊接工藝性能，采用有限元方法，對(duì)設(shè)計(jì)的“板凳”連接結(jié)構(gòu)及3種偏心T型材與肘板組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析對(duì)比，確定出合適的槽型艙壁端部節(jié)點(diǎn)連接形式，通過(guò)了DNV船級(jí)社OSLO總部審核。

鉆井船；干貨艙；槽型艙壁；節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)度分析

槽型艙壁由鋼板壓制而成，以槽形折曲來(lái)代替扶強(qiáng)材的作用，在保證同樣強(qiáng)度的條件下，可減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省鋼材，減少裝配和焊接的工作量，在船上大艙，例如，泥漿艙、干貨艙、油艙等結(jié)構(gòu)上使用較多。本鉆井船干貨艙內(nèi)壁采用槽型艙壁組合設(shè)計(jì)。干貨艙承受來(lái)自艙壓、海水壓力、甲板載荷、慣性力等載荷，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有難度。由于槽型艙壁截面的特殊性，槽型艙壁端部與甲板連接處的節(jié)點(diǎn)處理非常關(guān)鍵。為此，分析某鉆井船干貨艙橫縱槽型艙壁端部節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出幾種節(jié)點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)有限元分析計(jì)算，力求找到一種力學(xué)性能和焊接工藝性能都比較合適的節(jié)點(diǎn)連接形式。

1　鉆井船干貨艙強(qiáng)度分析

1.1鉆井船干貨艙簡(jiǎn)介

該鉆井船干貨艙主要分布在船體尾部(0.2～0.3)L之間(見(jiàn)圖1)，對(duì)稱(chēng)分布在中縱艙壁兩側(cè)，每側(cè)各設(shè)計(jì)5個(gè)干貨艙，共計(jì)10個(gè)，縱向長(zhǎng)度為15.6 m，橫向總寬度為6.5 m。干貨艙外壁為鋼板艙壁配合加強(qiáng)型材的結(jié)構(gòu)，將內(nèi)壁及其內(nèi)部中縱艙壁都設(shè)計(jì)為槽型艙壁結(jié)構(gòu)。干貨艙上部直接延續(xù)到主甲板，下部設(shè)計(jì)成V形漏斗結(jié)構(gòu)，接近內(nèi)底板處，以便于干貨的儲(chǔ)存與裝卸。干貨艙主要用于儲(chǔ)存干貨物如水泥、重晶石以及皂白石等。干貨艙模型見(jiàn)圖2。

圖1　干貨艙在總體模型中的位置

圖2　干貨艙有限元分析模型

1.2鉆井船干貨艙強(qiáng)度分析

1.2.1干貨艙所受載荷及計(jì)算方法

鉆井船干貨艙結(jié)構(gòu)主要承受的載荷包括干貨本身引起的艙壓、海水壓力、主甲板上的甲板載荷，以及來(lái)自船體本身的各向加速度引起的慣性力。載荷計(jì)算方法主要根據(jù)船級(jí)社規(guī)定。見(jiàn)表1。

表1　干貨艙結(jié)構(gòu)所受載荷

注:y,z為計(jì)算點(diǎn)處的坐標(biāo)值，m。

1.2.2干貨艙整體有限元模型及計(jì)算

采用有限元分析軟件SESAM完成干貨艙段的建模，網(wǎng)格設(shè)置方面主要對(duì)所關(guān)注的槽型艙壁端部連接區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，分別采用50 mm×50 mm，200 mm×200 mm，650 mm×650 mm等尺寸逐漸過(guò)渡。在邊界的處理上，為了避免邊界對(duì)分析結(jié)果的影響，有限元模型的橫向邊界往艙室外側(cè)分布對(duì)稱(chēng)擴(kuò)展到下一個(gè)縱向艙壁所在的強(qiáng)肋位處，縱向邊界以干貨艙艏艉橫向艙壁為界，由于這10個(gè)艙室類(lèi)似，縱向邊界雖對(duì)艏艉的艙室分析結(jié)果有較小影響，但中間的艙室強(qiáng)度分析結(jié)果是準(zhǔn)確的。有限元分析模型見(jiàn)圖2，邊界按照簡(jiǎn)支的方式設(shè)置處理，針對(duì)不同的工況進(jìn)行加載計(jì)算并完成分析計(jì)算。

為便于工況分析，為10個(gè)貨艙艙室編號(hào)，見(jiàn)圖3。考慮不同壓載艙的壓載組合工況，以及與海水壓力、垂向縱向加速度的合成工況，在SESTRA計(jì)算模塊中總計(jì)計(jì)算24種工況，最后在XTRACT模塊中對(duì)所有工況進(jìn)行搜索，以得到所有工況的最大屈服強(qiáng)度利用因子。

圖3　干貨艙編號(hào)

1.2.3屈服強(qiáng)度校核準(zhǔn)則

干貨艙強(qiáng)度分析主要考慮結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度校核的準(zhǔn)則如下。

(1)

式中：(σxx)t,(σyy)t,(σxy)t——總體單元應(yīng)力分量；

σe——vonMises應(yīng)力。

鉆井船屈服強(qiáng)度校核準(zhǔn)則參考DNV-OS-C102中規(guī)定，采用工作應(yīng)力 (WSD) 設(shè)計(jì)法。本船材料主要選擇NV-36，屈服極限355 MPa，具體利用率系數(shù)及峰值標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2～4。

表2　常規(guī)利用率及峰值

表3　峰值利用率(網(wǎng)格200 mm×200 mm)

表4　峰值利用率(網(wǎng)格50 mm×50 mm)

2　槽型艙壁端部節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

干貨艙內(nèi)壁橫縱艙壁采用槽型艙壁，在艙壓的作用下，上下兩端固支約束端處彎矩較大，同時(shí)為了防止甲板縱向加強(qiáng)筋與槽型艙壁產(chǎn)生過(guò)焊孔而增加焊接方面難度，槽型艙壁上端與主甲板結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)成不直接焊接，初始方案確定在槽型艙壁的上端，距離主甲板500 mm范圍內(nèi)設(shè)計(jì)連接過(guò)渡區(qū)域，對(duì)于此端部節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的形式有多種設(shè)計(jì)方案。

方案1。雙腹板板凳連接結(jié)構(gòu)。

在橫縱方向的槽型艙壁的端部增設(shè)一個(gè)面板，采用雙腹板結(jié)構(gòu)組成“板凳”結(jié)構(gòu)形式與主甲板連接。具體模型及強(qiáng)度分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　板凳節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及屈服應(yīng)力結(jié)果(方案1)

方案2。偏心T型材結(jié)構(gòu)+肘板組合結(jié)構(gòu)1。

根據(jù)主甲板縱向筋的布置，在橫向槽型艙壁的端部設(shè)計(jì)偏心T型材，配合縱向筋增加對(duì)應(yīng)的肘板結(jié)構(gòu)，在縱向槽型艙壁靠近跨度中間的左右兩側(cè)設(shè)計(jì)柔性過(guò)渡肘板，具體模型及強(qiáng)度分析結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5　偏心T型材+肘板組合1及屈服應(yīng)力結(jié)果(方案2)

方案3。偏心T型材結(jié)構(gòu)+肘板組合結(jié)構(gòu)2。

在槽型艙壁的端部采用偏心T型材結(jié)構(gòu)，橫向槽型艙壁的端部，不考慮主甲板縱向筋的布置，在橫向面板跨度中間設(shè)計(jì)肘板與扁鋼組合結(jié)構(gòu)，縱向槽型艙壁端部肘板設(shè)計(jì)與方案2相同。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

方案4。偏心T型材結(jié)構(gòu)+肘板組合結(jié)構(gòu)3。

在槽型艙壁的端部采用偏心T型材結(jié)構(gòu)，橫向槽型艙壁的端部，不考慮主甲板縱向筋的布置，

圖6　偏心T型材+肘板組合1及屈服應(yīng)力結(jié)果(方案3)

在橫向面板跨度中間的兩側(cè)，槽型艙壁凸出的兩個(gè)平臺(tái)上面中間設(shè)計(jì)肘板與扁鋼組合結(jié)構(gòu)，此方案的縱向槽型艙壁端部肘板設(shè)計(jì)與橫向的肘板布置相同。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

圖7　偏心T型材+肘板組合1及屈服應(yīng)力結(jié)果(方案4)

2.2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案分析對(duì)比

2.2.1不同方案強(qiáng)度分析

根據(jù)4個(gè)方案的屈服強(qiáng)度分析結(jié)果，針對(duì)槽型艙壁端部T型材面板及附屬肘板結(jié)構(gòu)周?chē)?xì)化50 mm×50 mm網(wǎng)格區(qū)域，統(tǒng)計(jì)槽型艙壁端部連接節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)周?chē)饕Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及利用率以及應(yīng)力水平分布情況見(jiàn)表5。

表5　不同方案下的端部連接節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)附近屈服應(yīng)力情況對(duì)比

注：UF-utilization factor，利用率。

2.2.2板凳結(jié)構(gòu)與偏心T型材肘板組合結(jié)構(gòu)對(duì)比

由表5可見(jiàn)，方案1“板凳”連接結(jié)構(gòu)形式相對(duì)于方案2、3和4，方案1“板凳”連接結(jié)構(gòu)形式的強(qiáng)度結(jié)果最好。只從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上考慮，方案1是最有效的一種連接結(jié)構(gòu)形式。

從施工建造工藝及焊縫檢測(cè)要求上考慮，方案1“板凳”結(jié)構(gòu)圍成了一個(gè)密閉狹小的黑盒子，減少了干貨儲(chǔ)存的體積，現(xiàn)場(chǎng)施工焊接有一定的難度，后期對(duì)內(nèi)部焊縫的檢測(cè)非常困難，尤其對(duì)液艙的后期內(nèi)部焊縫檢測(cè)要求較高，很難達(dá)到焊縫檢測(cè)的要求。目前比較牽強(qiáng)的解決辦法是，在干貨艙里面可以考慮使用方案1，并需要在“板凳”密閉空間內(nèi)部提前充入惰性氣體，以阻止內(nèi)部焊縫的銹蝕，保證焊縫的強(qiáng)度及壽命。方案1的選擇比較謹(jǐn)慎，需要各方人員的一致認(rèn)可。而方案2、方案3和方案4采取的偏心T型材與肘板組合結(jié)構(gòu)形式，在現(xiàn)場(chǎng)施工建造及后期焊縫檢測(cè)上面就不存在方案1的問(wèn)題了，建造檢測(cè)都非常方便，開(kāi)放的連接結(jié)構(gòu)形式也有利于干貨的儲(chǔ)存裝卸。因此，考慮施工建造檢測(cè)，偏心T型材肘板組合結(jié)構(gòu)相較“板凳”結(jié)構(gòu)形式更好一些，剩下的問(wèn)題就是如何滿(mǎn)足強(qiáng)度的要求。

2.2.3偏心T型材肘板組合結(jié)構(gòu)對(duì)比

方案2、方案3及方案4三種方案都采用偏心T型材連接結(jié)構(gòu)形式，其中不同的是橫向槽型艙壁端部處肘板結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)，縱向槽型艙壁端部肘板布置上方案4與前2種不同。3種方案在現(xiàn)場(chǎng)施工建造及焊縫檢測(cè)上基本上一樣，因此重點(diǎn)比較3種方案對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響程度。

由表5可見(jiàn)，方案4相對(duì)于方案2、方案3來(lái)說(shuō)，在橫縱槽型艙壁端部偏心T型材的面板上有多個(gè)屈服應(yīng)力較高的點(diǎn)，無(wú)法改善面板跨中區(qū)域的強(qiáng)度。因此方案4不可采用。

對(duì)于方案2與方案3來(lái)說(shuō)，整體的應(yīng)力水平相當(dāng)，由于強(qiáng)度分析特別是局部分析中可考慮忽略個(gè)別硬點(diǎn)的應(yīng)力集中的影響，兩個(gè)方案都是可行的。方案3相對(duì)于方案2結(jié)構(gòu)形式更為簡(jiǎn)單，也避免方案2中主甲板上縱向加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)肘板與橫向槽型艙壁端部等效腹板的斜向軌跡線出現(xiàn)交叉的結(jié)構(gòu)焊接硬點(diǎn)。因此選擇方案3作為最后的結(jié)構(gòu)連接方案。

對(duì)于方案2，由于鉆井船項(xiàng)目前期布置已經(jīng)確定，主甲板上縱向的加強(qiáng)筋的位置也不易修改，縱向加強(qiáng)筋基本沒(méi)有與橫向槽型艙壁端部平臺(tái)對(duì)齊，在這種情況下，若在加強(qiáng)筋下面增加肘板，將會(huì)與槽型艙壁端部結(jié)構(gòu)軌跡線的斜線方向產(chǎn)生焊接硬點(diǎn)。如果在前期布置階段，將主甲板縱向加強(qiáng)筋調(diào)整到橫向槽型艙壁端部面板的正上方，使加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)的肘板避開(kāi)等效腹板的斜向軌跡線，按照這種方式優(yōu)化以后的方案可以被認(rèn)為最適合的方案。

4　結(jié)論

1)方案1“板凳”連接結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能最好，在干貨艙中可以考慮采用，前提是需要在“板凳”密閉空間內(nèi)充入惰性氣體以防止內(nèi)部焊縫的腐蝕破壞，而在液艙中由于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工建造及焊縫檢測(cè)要求的提高，不建議采用此種連接結(jié)構(gòu)；如何提高此種結(jié)構(gòu)形式的焊接及焊縫檢測(cè)功能有待于進(jìn)一步研究；

2)其余三種偏心T型材與肘板組合結(jié)構(gòu)形式，方案2和方案3都可以接受。從避免結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)方面考慮，方案3是最可行的，力學(xué)性能與工藝性能都可以達(dá)到較好的水平；

3)方案2的連接結(jié)構(gòu)形式可進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化布置主甲板縱向加強(qiáng)筋，設(shè)計(jì)縱向加強(qiáng)筋分布與橫向槽型艙壁端部面板的凸臺(tái)之間對(duì)應(yīng)布置，可消除結(jié)構(gòu)焊接硬點(diǎn)，作為最佳方案。

槽型艙壁特別是橫縱交叉的槽型艙壁與主甲板連接結(jié)構(gòu)需要根據(jù)不同的荷載要求、加強(qiáng)筋的布置、施工工藝的難易以及焊縫檢測(cè)等因素綜合考慮設(shè)計(jì)。綜合考慮各種因素，僅采用手算方法對(duì)此處細(xì)部節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很難滿(mǎn)足實(shí)際項(xiàng)目的需要，因此采用有限元分析方法來(lái)進(jìn)行各個(gè)方案的對(duì)比分析是合理的，能夠分析結(jié)構(gòu)細(xì)部硬點(diǎn)等強(qiáng)度的詳細(xì)情況。選擇方案3作為最終方案，送審DNV船級(jí)社OSLO總部通過(guò)了審核，本設(shè)計(jì)可為鉆井船上干貨艙橫縱槽型艙壁端部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供實(shí)際參考。

[1] 挪威船級(jí)社．Ts301 Hull Structural Design, Ships with Length 100 metres and above[S].DNV，2014．

[2] 挪威船級(jí)社．DNV RP-C103 Column-stabilized units[S].DNV，2012．

[3] 挪威船級(jí)社．DNV RP-C102 Structural Design of Offshore Ships[S].DNV，2002．

[4] 陳鐵云，陳伯真．船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社，1991．

[5] 余遠(yuǎn)明.化學(xué)品船槽型艙壁節(jié)點(diǎn)形式研究[J].船海工程,2004(5):16-18.

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[9] 滕曉青,李潤(rùn)培.槽型艙壁極限強(qiáng)度[J].船舶力學(xué)，2000(4)：48-56.

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Structural Design of Corrugation Termination for Dry Tank of Drill-ship

GUO Qin-jing, LI Lei, CHEN Shu-min, LI De-jiang, WANG Hong-qing

(R&D Department, CIMC Offshore Engineering Institute, Yantai Shandong 264003, China)

Corrugation bulkhead is used in the inner dry cargo holds of the drill ship including transverse and longitudinal bulkheads. In order to research a reasonable corrugation termination to get good mechanical and welding property, the finite element analysis is carried out and the results are compared among different projects including the stool design and three kinds of unsymmetrical T-Girder with brackets. The most suitable project is chosen, which has been approved by DNV OSLO, which can provide a practical engineer reference for corrugation termination design.

drill-ship; dry tank; corrugated bulkhead; termination structural design; strength analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.037

2015-05-12

2015-06-17

山東省泰山學(xué)者藍(lán)色產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍專(zhuān)家專(zhuān)項(xiàng)

郭勤靜(1982-)，男，碩士，工程師

U663.4

A

1671-7953(2016)01-0174-05

研究方向:海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度分析

E-mail:guoqinjing@hotmail.com