許允，顧俊，胡斌

(1.中國船級社 廣州審圖中心，廣州 510235；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011；3.廣州廣船國際有限公司，廣州 511462)

阿芙拉型油船節(jié)點優(yōu)化設(shè)計

許允1，顧俊2，胡斌3

(1.中國船級社 廣州審圖中心，廣州 510235；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011；3.廣州廣船國際有限公司，廣州 511462)

以2艘Aframax型油船為例，采用節(jié)點細化有限元分析法，對高應(yīng)力區(qū)域進行結(jié)構(gòu)分析，以平面橫艙壁水平桁、縱橫艙壁相交處大肘板趾端為例，對高應(yīng)力區(qū)域的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案進行比較，得到的結(jié)論可為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

細化分析；高應(yīng)力區(qū)域；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在競爭日益激烈的航運市場，經(jīng)濟性愈發(fā)顯得重要，結(jié)構(gòu)優(yōu)化已被廣泛用于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計。

有限元分析作為船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的手段已經(jīng)成熟，本文利用CAE軟件對船體節(jié)點進行計算，通過多方案比較分析得到有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式。

1 細化網(wǎng)格有限元分析要求

國際船級社協(xié)會IACS發(fā)布的CSR OT規(guī)范對油船結(jié)構(gòu)節(jié)點細網(wǎng)格分析的具體操作要求[1-3]如下。

1)細化分析可采用包括細網(wǎng)格區(qū)域在內(nèi)的獨立局部有限元模型，邊界條件從艙段模型中得到(即子模型[4-8]法)，也可采用將細網(wǎng)格模型嵌入到艙段模型中進行分析(即嵌入法)。

2)子模型的范圍應(yīng)使考察區(qū)域的應(yīng)力結(jié)果不會受到載荷、邊界條件的影響。細化網(wǎng)格模型的邊界條件應(yīng)從艙段粗網(wǎng)格模型中得到。

3)細網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格尺寸應(yīng)不大于50 mm×50 mm，并要求在考察區(qū)域的所有方向至少大于10個單元。

4)細網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的板材應(yīng)以殼單元表示,扶強材應(yīng)以板單元建模?？疾靺^(qū)域內(nèi)單元的長和寬應(yīng)盡可能相等，應(yīng)避免使用三角形單元和畸變單元(四邊形單元的角度小于60o或大于120o)。

5)細網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)應(yīng)使用凈厚度模型，其他區(qū)域使用總厚度減去一半腐蝕余量。

6)驗收衡準。見表1。

注：λγ為屈服利用因子,λγ=kσvm/235,板單元,λγ=kσred/235,桿單元可梁單元；σvm為單元形心處的膜應(yīng)力得到的von Mises應(yīng)力，MPa；σred為桿單元的軸向應(yīng)力，MPa；k為高強度鋼系數(shù)，載荷組合S+D時應(yīng)取不小于0.78。

2 Aframax型油船節(jié)點分析及優(yōu)化實例

以兩艘Aframax型油船的結(jié)構(gòu)有限元分析為例，根據(jù)艙段粗網(wǎng)格計算結(jié)果，對平面橫艙壁水平桁、縱橫艙壁相交處大肘板趾端進行細化網(wǎng)格分析。

2.1 平面橫艙壁水平桁節(jié)點優(yōu)化

A型油船平面橫艙壁中間一道水平桁在L10附近開有一個700 mm×1 600 mm的孔，此孔位于水平桁跨距中部區(qū)域，結(jié)構(gòu)形式見圖1，細化網(wǎng)格模型見圖2，應(yīng)力分布見圖3。

經(jīng)細化網(wǎng)格分析后發(fā)現(xiàn)，開孔區(qū)域水平桁面板應(yīng)力較大，達到692 MPa。將面板改為FB300X30AH32，重新計算，應(yīng)力分布見圖4。

增加面板厚度同時提高鋼級，面板最大應(yīng)力仍為608 MPa，降低并不明顯。查看工況為1-5a(中貨艙左艙空，其余艙滿)，變形分布見圖5。

分析原因。由于該船平面橫艙壁采用垂直扶強材加水平桁，并不設(shè)置垂直桁的結(jié)構(gòu)形式，在1-5a這種工況下，空艙的艙室橫艙壁中部區(qū)域變形較大。為提高中部區(qū)域抗變形能力，對原結(jié)構(gòu)圖A-A剖面節(jié)點進行修改(見圖6)，同時將面板改回原設(shè)計尺寸。修改后的應(yīng)力分布見圖7、變形分布見圖8。

修改節(jié)點形式，高應(yīng)力區(qū)域轉(zhuǎn)移，水平桁面板變形得到改善，應(yīng)力顯著降低。

經(jīng)分析,采用加強原結(jié)構(gòu)和修改節(jié)點形式2種方案，雖都可改變應(yīng)力分布，但效果明顯有差異，詳細計算結(jié)果對比見表2。

表2 細化網(wǎng)格應(yīng)力結(jié)果

2.2 縱橫艙壁相交處大肘板趾端節(jié)點優(yōu)化

B型油船平面縱艙壁不設(shè)水平桁，橫艙壁的水平桁端部大肘板壓在中縱艙壁縱骨上，縱橫艙壁相交處的節(jié)點形式見圖9，細化網(wǎng)格模型見圖10，應(yīng)力分布見圖11。

細網(wǎng)格分析發(fā)現(xiàn)，橫艙壁水平桁大肘板趾端附近應(yīng)力超標，縱骨腹板最大應(yīng)力達1 047 MPa，查看工況為4-5a(前中后貨艙的左右艙分別隔艙裝載)。

分析認為，由于該船縱艙壁不設(shè)水平桁，導(dǎo)致作為強構(gòu)件的橫艙壁水平桁與作為弱構(gòu)件的縱

艙壁骨材相連，在水平剖面沒有形成有效的環(huán)形框架，同時左右艙在中縱艙壁2側(cè)形成2個較為靠近的趾端，產(chǎn)生嚴重的應(yīng)力集中。為改善結(jié)構(gòu)的受力情況，對原節(jié)點進行優(yōu)化，見圖12，優(yōu)化后的細網(wǎng)格模型見圖13，應(yīng)力分布見圖14。

修改節(jié)點形式后應(yīng)力顯著降低，滿足規(guī)范衡準要求。

3 結(jié)論

由以上論述可知，細化分析能夠清晰反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，為船體節(jié)點設(shè)計提供有效的手段。

在設(shè)計過程中并不只是一味靠增加厚度、提高鋼級來滿足要求，有時提高剛度、優(yōu)化節(jié)點形式也能達到很好的效果。

針對上述2種Aframax型油船典型節(jié)點的細化分析，可以得到下列結(jié)論。

1)設(shè)置垂直扶強材和水平桁的平面橫艙壁中部區(qū)域在隔艙裝載工況下變形較大，在設(shè)計初期建議增設(shè)橫艙壁局部垂直桁以增加艙壁的剛度；對于空船重量裕度不大的船舶可在水平桁跨中增設(shè)肘板、優(yōu)化節(jié)點，以減小水平桁尺寸。

2)弱構(gòu)件不足以支撐強結(jié)構(gòu)，強弱構(gòu)件的連接應(yīng)充分過渡。對于不設(shè)水平桁的縱艙壁，可以在橫艙壁水平桁與縱艙壁連接處延伸一個強框架間距，作為縱艙壁的局部短縱桁，同時增設(shè)背肘板保持良好過渡。

[1] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2015.

[2] IACS. Common structural rules for double hull oil tankers[S].International Association of Classification Society,IACS,2006.

[3] IACS. Common structural rules for bulk carriers[S].International Association of Classification Society，IACS，2006.

[4] 林莉,王麒琳.超大型礦砂船典型節(jié)點優(yōu)化設(shè)計研究[J].上海造船,2010(1):27-30.

[5] 陳有芳,許允,張少雄.27 000 DWT化學品/成品油船結(jié)構(gòu)強度直接計算[J].船海工程,2010,39(4):8-10.

[6] 楊燕.油船結(jié)構(gòu)強度設(shè)計和審圖要點[J].船舶與海洋工程,2013(4):9-13.

[7] 王麒琳.5萬噸級成品油船典型節(jié)點設(shè)計優(yōu)化[J].船舶與海洋工程,2014(3):57-62.

[8] 許允,張少雄,胡豐梁，等.子模型范圍及邊界條件對應(yīng)力結(jié)果的影響[J].船海工程,2016,45(4):19-23.

On Detail Optimization Design of Aframax Tanker

XU Yun1, GU Jun2, HU Bin3

(1.Guangzhou Plan Approval Center, China Classification Society, Guangzhou 510235, China;2.Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China;3.Guangzhou Shipyard International Company Limited, Guangzhou 511462, China)

Two Aframax tankers were taking as examples to study the detail structural optimization. The high-stressed areas were analyzed by using fine mesh finite element method. Different optimized plans on a horizontal string of transverse plane bulkhead, a big bracket toe connecting transverse bulkhead and longitudinal bulkhead were directly calculated and compared, so as to optimal the structural design of the details.

fine mesh analysis; stress concentrated region; structure optimization

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.004

2016-09-18

許允(1984—)，男，碩士，工程師

U661.43

A

1671-7953(2017)02-0017-04

修回日期：2016-09-28

研究方向:結(jié)構(gòu)強度分析