周廣喜，謝大建，萬冬冬

(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

超大型集裝箱船縱骨貫穿孔的形狀優(yōu)化

周廣喜，謝大建，萬冬冬

(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

基于在外板縱骨與橫向肋板連接處的貫穿孔是疲勞裂紋的多發(fā)地帶，以某超大型集裝箱船為例，介紹了船體外板縱骨貫穿孔的受力狀態(tài)，并基于譜分析方法,對(duì)該型船舭部外板縱骨貫穿孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度分析。通過比較不同結(jié)構(gòu)形式貫穿孔的疲勞壽命和不同結(jié)構(gòu)形式縱骨貫穿孔的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)并提出了超大型集裝箱船縱骨貫穿孔結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

譜分析；疲勞裂紋；超大型集裝箱船；縱骨貫穿孔

0 引言

采用縱骨架式的大型船舶在橫向肋板上需設(shè)置大量的縱骨貫穿孔，而這些縱骨貫穿孔的附近結(jié)構(gòu)經(jīng)常有損傷的事例，因此如何防止外板上縱骨貫穿孔附近結(jié)構(gòu)的疲勞破壞已經(jīng)成為一個(gè)非常重要的問題[1]。常規(guī)的校核方法是采用規(guī)范計(jì)算法，如CSR/HCSR規(guī)范、LR規(guī)范、NK規(guī)范、DNV規(guī)范等都對(duì)縱骨端部連接的疲勞問題有所要求，按照既定的公式和應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，但各規(guī)范中很少要求對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

本文從力學(xué)角度出發(fā)論述了船體外板縱骨貫穿孔的受力特性，簡述了譜分析方法的基本原理，并采用LR WAVELOAD軟件進(jìn)行水動(dòng)力分析，MSC. NASTRAN軟件進(jìn)行求解，LR SHIPRIGHT 軟件進(jìn)行譜疲勞分析計(jì)算。文中以某超大型集裝箱船為例，對(duì)該型船的舭部外板縱骨貫穿孔的疲勞問題進(jìn)行了分析，比較了不同結(jié)構(gòu)形式貫穿孔的疲勞強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)并提出了縱骨貫穿孔結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 外板縱骨貫穿孔及周邊結(jié)構(gòu)受力分析

對(duì)于縱骨和橫向肋板之間，通常為了制造方便和縱骨的強(qiáng)度連續(xù)性，一般設(shè)計(jì)為縱骨貫穿于橫向肋板，需要在橫向肋板上開設(shè)貫穿孔。

縱骨和橫向肋板之間的連接構(gòu)件常分布于縱骨貫穿孔附近，一般認(rèn)為有：和縱骨相連的橫向肋板的腹板、連接縱骨腹板與橫向肋板的補(bǔ)板；連接縱骨面板與橫向肋板之間的扶強(qiáng)材。

縱骨貫穿孔周邊結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋位置如圖1所示。從圖中可知，若將縱骨貫穿孔的損傷形式分為扶強(qiáng)材根部損傷及貫穿孔周邊橫向肋板裂紋，由文獻(xiàn)[2]可知，75%的損傷數(shù)出現(xiàn)在G～I(xiàn)位置處， 25%的損傷數(shù)出現(xiàn)在A～F位置處。損傷首先從扶強(qiáng)材根部開始，扶強(qiáng)材損壞后貫穿孔周邊應(yīng)力增大，在這部分發(fā)生裂紋。

現(xiàn)分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的力學(xué)原因。作用于外板的水壓傳遞至縱骨，縱骨上的一部分力通過貫穿孔直接傳遞到橫向肋板，剩下的通過縱骨面板扶強(qiáng)材傳遞到橫向肋板上，因此扶強(qiáng)材承受了拉力或壓力。

橫向肋板受圖2所示剪力τ時(shí)發(fā)生剪切變形，其中左圖扶強(qiáng)材受壓，右圖扶強(qiáng)材受拉，如不設(shè)置扶強(qiáng)材，則橫向肋板與縱骨連接處不會(huì)產(chǎn)生剪切變形。因此，扶強(qiáng)材起到了阻礙變形的作用，也將產(chǎn)生拉力或壓力。

無論哪種情形都是扶強(qiáng)材單側(cè)被比較剛性的橫向肋板所支持，扶強(qiáng)材根部承受拉伸或壓縮，其應(yīng)力分布偏于橫向肋板側(cè)，產(chǎn)生應(yīng)力集中。另外，扶強(qiáng)材只是單側(cè)在橫向肋板處支持，根部產(chǎn)生偏心彎矩，由此產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力與上述的應(yīng)力集中疊加，導(dǎo)致扶強(qiáng)材在橫向肋板側(cè)產(chǎn)生高應(yīng)力。

該應(yīng)力受船舶航行中的裝載狀態(tài)的變化以及波浪的影響發(fā)生比較大的變化，所以扶強(qiáng)材根部因承受循環(huán)作用且振幅較大的變動(dòng)應(yīng)力而極有可能導(dǎo)致疲勞破壞。

由上述推定可知，扶強(qiáng)材根部的損傷會(huì)導(dǎo)致貫穿孔周邊產(chǎn)生裂紋。對(duì)于雙層底而言，考慮外底縱骨與內(nèi)底縱骨的對(duì)接，讓外底的載荷更有效地傳遞至橫向肋板和內(nèi)底，設(shè)置垂向扶強(qiáng)材是很必要的。但對(duì)于超大型集裝箱船的舭部而言，縱骨的載荷基本都傳遞至橫向肋板，扶強(qiáng)材與縱骨的連接顯得不是十分必要。

所以，為了避免扶強(qiáng)材與縱骨連接時(shí)在扶強(qiáng)材根部產(chǎn)生疲勞破壞，可以考慮扶強(qiáng)材不與縱骨相連，縱骨上的載荷直接通過貫穿孔傳遞至橫向肋板，這種情況下對(duì)貫穿孔的要求較高，因此，貫穿孔補(bǔ)板的設(shè)計(jì)是必要的。

2 譜分析方法簡述

譜分析方法的理論基礎(chǔ)是隨機(jī)過程理論中的線性系統(tǒng)變換，作用在船體上的波浪過程Gηη(ωe) 是系統(tǒng)的輸入，結(jié)構(gòu)內(nèi)由于波浪作用引起的交變應(yīng)力GXX(ωe) 則是系統(tǒng)的響應(yīng)。船舶結(jié)構(gòu)線性動(dòng)力系統(tǒng)示意總圖如圖3所示。

用公式可表示為：

GXX(ωe)=∣Hσ(ωe)∣2Gηη(ωe)

(1)

式中：H(ωe)為遭遇頻率為ωe的單位波幅下的應(yīng)力響應(yīng)值，稱為傳遞函數(shù)或頻率響應(yīng)函數(shù)。

考慮波浪的擴(kuò)散性，記H(ωe，θ)為與船舶航向之間夾角為θ的波浪所對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)，那么，考慮所有方向波浪的貢獻(xiàn)，結(jié)構(gòu)交變應(yīng)力響應(yīng)的功率譜密度為[1]：

(2)

應(yīng)力響應(yīng)功率譜密度的0次矩和2次矩分別為m0和m2，計(jì)算公式如下：

Gηη(ωe)dβdωe

其中，n=0，2。

(3)

交變應(yīng)力的平均跨零率v，即單位時(shí)間內(nèi)以正斜率跨越零均值的平均次數(shù)，其表達(dá)式為：

(4)

按Miner線性累積損傷理論，結(jié)構(gòu)總的疲勞損傷度D是所有特定工況的損傷度之和，即

(5)

式中：Td為船舶的設(shè)計(jì)疲勞壽命；K,m為所用S-N曲線的兩個(gè)參數(shù)；Nload為所考慮的裝載狀態(tài)的總數(shù)；pn為第n個(gè)裝載狀態(tài)所占設(shè)計(jì)壽命的比例；nS為海況分布資料中的海況總數(shù)；nH為劃分的航向總數(shù)；pi為第i個(gè)海況出現(xiàn)的概率；pj為第j個(gè)航向出現(xiàn)的頻率；vijn為第n個(gè)裝載及海況i和航向j下，應(yīng)力交變響應(yīng)平均過零率。

(6)

波浪載荷計(jì)算參數(shù)見表1，全球航區(qū)波浪散布情況見表2。

表1 波浪載荷計(jì)算參數(shù)

3 初步設(shè)計(jì)的縱骨貫穿孔疲勞強(qiáng)度

有限元計(jì)算采用全船模型，細(xì)網(wǎng)格部分內(nèi)嵌在整體模型中。選取全球海況作為計(jì)算海況，采用譜分析方法對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度分析。全船模型如圖4所示。

表2 全球航區(qū)波浪散布情況[6]

初步設(shè)計(jì)了如圖5所示的縱骨貫穿孔，記為原始方案。該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)在于避免了貫穿孔補(bǔ)板與船體外板的曲面焊接，且有較小的焊接量。還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這種形式的貫穿孔裝配方便，縱骨能直接放在橫向肋板上焊接?？v骨貫穿孔結(jié)構(gòu)有限元模型如圖6所示。

計(jì)算衡準(zhǔn)取為30 a。原始方案譜分析計(jì)算后的疲勞壽命見表3。

表3 原始方案的疲勞壽命

分析表3可得出如下結(jié)論：

(1)縱骨貫穿孔的圓弧處(熱點(diǎn)1和熱點(diǎn)2)和貫穿孔補(bǔ)板與橫向肋板的連接處(熱點(diǎn)4和熱點(diǎn)5)比較安全，不易出現(xiàn)疲勞破壞。

(2)橫向肋板或貫穿孔補(bǔ)板與縱骨腹板連接處(熱點(diǎn)3和熱點(diǎn)7)比較容易出現(xiàn)疲勞問題。

(3)對(duì)于熱點(diǎn)3，貫穿孔變形時(shí)橫向肋板趾端剛性較大，導(dǎo)致縱骨腹板上存在應(yīng)力集中，評(píng)價(jià)結(jié)果不滿足要求。熱點(diǎn)3的疲勞壽命為28.2 a，滿足疲勞改善措施實(shí)施條件[5](計(jì)算疲勞壽命大于20 a)，可通過打磨或錘擊等疲勞改善措施使其滿足要求。但此類結(jié)構(gòu)在全船范圍內(nèi)相當(dāng)多，采取這種方法會(huì)使現(xiàn)場工人增加很多作業(yè)量，因此，此處最好通過改變結(jié)構(gòu)形式來滿足要求。

(4)橫向肋板與外板的連接(熱點(diǎn)6和熱點(diǎn)8)可能會(huì)導(dǎo)致疲勞破壞。對(duì)于熱點(diǎn)6，該位置是由于船底外板受外部水壓力作用，產(chǎn)生的載荷不能有效的傳遞，導(dǎo)致該位置存在應(yīng)力集中，評(píng)價(jià)結(jié)果不滿足要求；熱點(diǎn)8距離縱骨腹板較近，變形受縱骨的約束，因而應(yīng)力集中程度較小，滿足要求。

4 改進(jìn)后的縱骨貫穿孔疲勞強(qiáng)度

對(duì)于熱點(diǎn)6，如將縱骨貫穿孔補(bǔ)板直接焊接到船外板，那么外部水壓力能有效傳遞至橫向框架，則該位置避免了應(yīng)力集中，不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

對(duì)于熱點(diǎn)3，如適當(dāng)將橫向肋板趾端剛度降低，會(huì)有效降低疲勞應(yīng)力范圍，最終提高疲勞壽命，因此設(shè)計(jì)如圖7所示方案，記為加強(qiáng)方案1，有限元模型如圖8所示。

或?qū)⒖v骨貫穿孔設(shè)計(jì)成氣密形式，轉(zhuǎn)移熱點(diǎn)位置，新增熱點(diǎn)位置若不能滿足要求，則需要在橫向肋板的單面或雙面加肘板，以約束橫向肋板的變形。氣密形式的貫穿孔記為加強(qiáng)方案2，如圖9所示，有限元模型如圖10所示，加強(qiáng)方案計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 加強(qiáng)方案的疲勞壽命

由表4可知，加強(qiáng)方案1和加強(qiáng)方案2的疲勞強(qiáng)度均能滿足全球海況30 a的衡準(zhǔn)。

加強(qiáng)方案1將橫向肋板和貫穿孔補(bǔ)板設(shè)計(jì)成圓弧趾端后，與縱骨相交處疲勞壽命由28.2 a變成36.5 a，有效改善了該位置的應(yīng)力集中狀況。

加強(qiáng)方案2避開了橫向肋板或貫穿孔補(bǔ)板與縱骨腹板連接處的熱點(diǎn)，對(duì)新增的縱骨面板上的3個(gè)熱點(diǎn)，其疲勞壽命均滿足要求，不需在縱骨面板上設(shè)置肘板。

加強(qiáng)方案2的疲勞強(qiáng)度略優(yōu)于加強(qiáng)方案1，但加強(qiáng)方案2的焊接量要大于加強(qiáng)方案1，因此，實(shí)際操作時(shí)會(huì)選擇成本更低、結(jié)構(gòu)更簡單的加強(qiáng)方案1進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

(1)采用有限元法對(duì)超大型集裝箱船外板縱骨貫穿孔的疲勞計(jì)算是必要的。

(2)縱骨上的扶強(qiáng)材端部容易出現(xiàn)疲勞破壞。當(dāng)肋板扶強(qiáng)材不與縱骨相連時(shí)，縱骨的載荷全部由貫穿孔傳遞，因此，這種情況下貫穿孔補(bǔ)板的設(shè)置是必要的。

(3)由于外部水壓的作用，為避免肋板與外板的連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而貫穿孔補(bǔ)板應(yīng)與外板相連接。

(4)縱骨貫穿孔變形時(shí)，橫向肋板的趾端與縱骨腹板的焊接處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，如不希望對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行過多的修改，可將趾端設(shè)計(jì)成軟趾，能有效改善疲勞壽命。

(5)雖然加強(qiáng)方案2的疲勞情況相對(duì)于加強(qiáng)方案1更為有效，但考慮到加強(qiáng)方案2的焊接更為復(fù)雜，因此，當(dāng)存在多種加強(qiáng)方案時(shí)，在滿足衡準(zhǔn)的前提下，應(yīng)選擇成本更低、結(jié)構(gòu)更簡單的方案，做到降本增效才是最重要的。

[1] 馮國慶. 船舶結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估方法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2006:62-69.

[2] 日本船體構(gòu)造委員會(huì). 大型船の橫桁材におけるスロット周辺の損傷防止に関する検討[J]. 日本造船學(xué)會(huì)誌，1971，505:18-20.

[3] Lloyd's Register. Fatigue Design Assessment Level 3 Procedure Guidance on direct calculations[S].London:Lloyd's Register Group LimitedRegistered office, 2009:18-20.

[4] Lloyd's Register. Fatigue Design Assessment-Application and Notations[S].London:Lloyd's Register Group LimitedRegistered office, 2015：17-24.

[5] Lloyd's Register. Fatigue Design Assessment Level 1 Procedure Structural Detail Design Guide[S]. London:Lloyd's Register Group LimitedRegistered office, 2009: 17-19.

[6] 胡朝威，胡毓仁.散貨船新型曲邊肘板節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度[J]. 造船技術(shù)，2005(1)：9.

U661.43

A

2017-03-21

周廣喜(1987—),男，碩士，工程師，從事環(huán)境載荷與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究。