李云龍

摘 要：本文采用有限元分析和局部應(yīng)力集中系數(shù)分析的方法，進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)開(kāi)孔局部強(qiáng)度校核，并引入實(shí)例進(jìn)行分析說(shuō)明。通過(guò)此方法可以有效解決大部分遇到的開(kāi)孔局部強(qiáng)度校核問(wèn)題，為開(kāi)孔設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：船體開(kāi)孔；強(qiáng)度校核；應(yīng)力集中系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U661.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Hull Structure Penetration Strength Check

LI Yunlong

（ COSCO （Guangdong） Shipyard Co.， Ltd. Dongguan 523146 ）

Abstract： This thesis introduces different types of piping and cables penetration at platforms or bulkheads， as required by DNV， also show a way by finite element analysis and local stress concentration factor analysis to check the structure strength around these penetrations. Examples are adopted for analysis and explanation to solve effectively most penetration strength check and provide the basis for penetration design.

Key words： Penetration at hull structure； strength check； stress concentration factors

1 前言

從2011年開(kāi)始，廣東中遠(yuǎn)船務(wù)相繼承接了tender barge和ocean 400等鉆井平臺(tái)項(xiàng)目。

在tender barge和ocean 400的設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常遇到各種形式的的開(kāi)孔，如開(kāi)在T型梁上、艙壁上、甲板上，還有開(kāi)在克令吊筒體和基座下方結(jié)構(gòu)上等，而且形狀也都不一樣。下面介紹幾種常用的方法，對(duì)開(kāi)孔強(qiáng)度校核和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 開(kāi)孔局部強(qiáng)度校核方法

開(kāi)孔局部強(qiáng)度校核方法包括：（1）根據(jù)ABS規(guī)范要求校核；（2）應(yīng)力集中系數(shù)校核；（3）有限元建模直接進(jìn)行強(qiáng)度校核。

因采用有限元分析建模進(jìn)行開(kāi)孔強(qiáng)度計(jì)算比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而目前大部分海工項(xiàng)目設(shè)計(jì)公司都會(huì)提供全船初步有限元分析，因此基于方法（1）和（2）可以基本解決全船各類(lèi)型開(kāi)孔局部強(qiáng)度校核問(wèn)題。

2.1 根據(jù)ABS規(guī)范要求校核T型梁開(kāi)孔強(qiáng)度

圖1為典型的T型材開(kāi)孔圖，T型材端部有艙壁、扶強(qiáng)材和肘板支撐。根據(jù)ABS驗(yàn)船師檢驗(yàn)文件，在肘板往前200 mm（或者1/8D，取大值）到靠端部50 mm區(qū)域是高應(yīng)力區(qū)域（見(jiàn)圖中陰影區(qū)域），不允許開(kāi)孔，如果一定要開(kāi)孔則必須進(jìn)行強(qiáng)度校核并得到ABS允許；在非陰影區(qū)域通常應(yīng)力值較小，在這些地方的開(kāi)孔高度不能超過(guò)T型材腹板高度的1/4，兩個(gè)開(kāi)孔之間的距離和開(kāi)孔的長(zhǎng)度也有一定的要求，如圖1所示。

圖2為沒(méi)有壁板和肘板支撐的情況。在長(zhǎng)度為D的T型材中，端部?jī)蛇?/8D的范圍被認(rèn)為是高應(yīng)力區(qū)（見(jiàn)陰影部分），在這個(gè)范圍內(nèi)是不允許開(kāi)孔的，設(shè)計(jì)時(shí)管子和電氣開(kāi)孔應(yīng)該設(shè)法避開(kāi)這些區(qū)域，如果沒(méi)有辦法避開(kāi)則必須進(jìn)行強(qiáng)度校核并得到ABS的認(rèn)可。

2.2 基于DNV規(guī)范要求的艙壁板和甲板開(kāi)孔強(qiáng)度校核

如圖3所示，在典型的腰圓開(kāi)孔的示例中，沿水平方向參數(shù)為r/b（半徑/腰圓的長(zhǎng)度），沿垂向方向參數(shù)為b/a（腰圓的長(zhǎng)度/寬度）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，沿著腰圓短邊方向，當(dāng)長(zhǎng)邊/短邊比變小的時(shí)候，沿短邊的剪切力也相應(yīng)變小。另外，應(yīng)力集中系數(shù)SCF隨著r/b的變大而變小。這說(shuō)明當(dāng)腰圓大小一定的情況下，圓角越大，應(yīng)力集中系數(shù)越小；當(dāng)r/b=0.5時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)為3，這時(shí)腰圓其實(shí)是類(lèi)似于圓形的一個(gè)形狀。

圖4是反映圓形開(kāi)孔的應(yīng)力集中系數(shù)：應(yīng)力集中系數(shù)隨著x/r的變大而變小，也就是在被開(kāi)孔平臺(tái)或者艙壁中，離開(kāi)孔中心越遠(yuǎn)的地方應(yīng)力越小。因此，在開(kāi)孔情況下，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注孔邊的應(yīng)力集中系數(shù)，圓孔孔邊沿任何方向的剪切力的應(yīng)力集中系數(shù)均為3。

圖6所示為該縱艙壁應(yīng)力值最大的組合應(yīng)力云圖，在該區(qū)域應(yīng)力值為25 MPa。根據(jù)圖1所示的應(yīng)力集中系數(shù)曲線(xiàn)圖，可插值得到應(yīng)力集中系數(shù)為3.2。 因此得到開(kāi)腰圓孔的應(yīng)力集中系數(shù)為 25 MPa x 3.2=80 MPa， 小于284 MPa的許用值。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)ABS規(guī)范校核和參考DNV-RP-C203的應(yīng)力集中系數(shù)插值計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，與有限元分析3D軟件建模直接計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，結(jié)果很接近。因此用ABS規(guī)范校核和用DNV的應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行開(kāi)孔局部強(qiáng)度校核是一種很實(shí)用且行之有效的方法，此方法已經(jīng)成功運(yùn)用于我司tender barge 和semi的兩個(gè)項(xiàng)目上并得到了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1] DNV船級(jí)社. DNV-RP-C203 Fatigue Design of Offshore Steel Structures.

[2] GUSTOMSC Publish MU_2013_17053 Von Mises Stress Plots.

[3] GUSTOMSC Publish MU_2013_27965 Maximum Principal Stress Amplitude

Global Model.