黃曉豐

(上海歐得利船舶工程有限公司, 上海200023)

0 引 言

常規(guī)油船的泵艙前端壁通常為垂直平板艙壁，如圖1所示。隨著壓載水處理裝置的使用，泵艙布置設(shè)計(jì)較常規(guī)發(fā)生變化，需要更大的空間。為滿足設(shè)備的布置要求，需對(duì)泵艙進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]，通常將泵艙向污水艙延伸，使泵艙前端壁呈現(xiàn)階梯形狀，如圖2所示?，F(xiàn)行IACS《油船和散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》[2](下文稱“規(guī)范”)對(duì)于此類階梯型艙壁上的次要支撐構(gòu)件的彎矩因數(shù)并未作出明確規(guī)定，給設(shè)計(jì)工作及工程實(shí)踐帶來諸多不便。本文以采用此種結(jié)構(gòu)形式的一型油船泵艙為例，通過有限元計(jì)算方法對(duì)階梯型艙壁次要支撐構(gòu)件的彎矩因數(shù)取值進(jìn)行研究，使該處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，且具有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備[3]，同時(shí)提出此類階梯型艙壁的設(shè)計(jì)方案及注意事項(xiàng)，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考[4]。

圖1 泵艙前端平直艙壁

圖2 泵艙前端階梯型艙壁

1 次要支撐構(gòu)件彎矩因數(shù)規(guī)范要求

規(guī)范第6.6節(jié)對(duì)局部和次要支撐構(gòu)件的尺寸作出要求，第6.3.2.1節(jié)給出次要支撐構(gòu)件所要求的彎矩因數(shù)，如表1所示。

表1 彎矩因數(shù)取值表

對(duì)于承受側(cè)向壓力、點(diǎn)載荷或其他載荷組合的加強(qiáng)筋，要求凈剖面模數(shù)應(yīng)為所有設(shè)計(jì)載荷組合計(jì)算所得結(jié)果的最大值，最小凈剖面模數(shù)Z應(yīng)不小于

(1)

式中：P為考慮設(shè)計(jì)載荷組合下，計(jì)算點(diǎn)計(jì)算所得設(shè)計(jì)壓力，kN/m2；s為次要支撐構(gòu)件間距，mm；lbdg為有效彎曲跨距；fbdg為彎矩因數(shù)；Cs為考慮設(shè)計(jì)載荷組合下的許用彎曲應(yīng)力因數(shù)；χ為對(duì)不同工況的修正因數(shù)，在完整工況下，χ=0.90(對(duì)于連接在散貨船貨艙內(nèi)的內(nèi)底板或底邊艙斜板上的骨材)，χ=1.00(對(duì)于其他情況)；ReH為所考慮扶強(qiáng)材材料的最小屈服應(yīng)力，N/mm2。

垂直型艙壁的次要構(gòu)件主要承受側(cè)向線性變化壓力載荷。根據(jù)規(guī)范要求：兩端剛性固定的扶強(qiáng)材在三角形分布載荷作用下，構(gòu)件最下端適用的彎矩因數(shù)fbdg=10；一端剛性固定一端簡(jiǎn)支固定的扶強(qiáng)材在三角形分布載荷作用下，構(gòu)件最下端適用的彎矩因數(shù)fbdg=7.5。規(guī)范還指出，對(duì)于端部約束減弱、載荷變化或者作為板架一部分的骨材，須進(jìn)行直接計(jì)算校核。

2 階梯型艙壁次要支撐構(gòu)件彎矩因數(shù)取值

為保證階梯形艙壁結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度安全，有必要對(duì)階梯型艙壁次要支撐構(gòu)件的彎矩因數(shù)進(jìn)行分析。圖2中泵艙前端壁存在兩處艙壁折角點(diǎn)，其余兩段平直艙壁的另一端分別連接主甲板和內(nèi)底板。主甲板和內(nèi)底板屬于強(qiáng)構(gòu)件，艙壁與其連接的位置可作為剛性固定端。為研究階梯型艙壁次要構(gòu)件彎矩因數(shù)的取值規(guī)律以及解決此類設(shè)計(jì)問題的其他方法，本文采用有限元法對(duì)階梯型艙壁的次要支撐構(gòu)件尺寸進(jìn)行直接計(jì)算校核，并對(duì)階梯型艙壁次要支撐構(gòu)件的彎矩因數(shù)取值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證[5]。

取階梯型艙壁的次要支撐構(gòu)件為分析對(duì)象，建立三維有限元模型[6]，如圖3所示。為計(jì)算階梯型艙壁上的次要構(gòu)件尺寸，以艙壁水平桁支撐處和兩折角點(diǎn)處為扶強(qiáng)材端點(diǎn)量取跨距、共計(jì)5段，扶強(qiáng)材編號(hào)如圖3所示。將階梯型艙壁的上下兩端取為剛性固定端,將水平桁處取為簡(jiǎn)支固定端，折角處的邊界條件視設(shè)計(jì)情況而定。

圖3 階梯型艙壁的次要支撐構(gòu)件三維有限元模型

2.1 階梯型艙壁次要支撐構(gòu)件計(jì)算結(jié)果分析

設(shè)計(jì)之初，假設(shè)在階梯型艙壁的折角處設(shè)置了平臺(tái)或強(qiáng)有力的水平桁支撐艙壁扶強(qiáng)材，則可認(rèn)為折角處為剛性固定邊界。模型邊界條件和載荷分布如圖4和圖5所示。根據(jù)規(guī)范公式(1)的計(jì)算方法，采用彎矩因數(shù)fbdg=10計(jì)算階梯形艙壁上所有垂直扶強(qiáng)材尺寸大小。然后建立有限元模型，對(duì)根據(jù)前述方法取得的構(gòu)件尺寸進(jìn)行計(jì)算校核，計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表2的計(jì)算結(jié)果可見，采用彎矩因數(shù)fbdg=10取得的構(gòu)件尺寸在折角處剛性固定的條件下滿足規(guī)范要求。

圖4 折角處為剛性固定約束的邊界條件

圖5 線性載荷分布

表2 艙壁正中間一列扶強(qiáng)材應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由于管系布置或空間原因無法在折角處設(shè)置強(qiáng)支撐構(gòu)件的情況下，折角處結(jié)構(gòu)的邊界約束并非剛性固定，模型中折角處的邊界約束須釋放掉，以反映真實(shí)的折角處相鄰扶強(qiáng)材之間的相互支撐關(guān)系，有限元模型邊界條件如圖6所示，可見載荷分布與圖5一致。

圖6 折角處無約束的邊界條件

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，采用彎矩因數(shù)fbdg=10取得的構(gòu)件尺寸在折角處無端部約束的情況下，1#、3#、4#扶強(qiáng)材的合成應(yīng)力值超過了許用應(yīng)力值，不能滿足規(guī)范要求。從圖7所示的扶強(qiáng)材變形圖可以看出，在單側(cè)載荷的影響下，1#、2#、3#扶強(qiáng)材整體呈塌陷狀， 2#扶強(qiáng)材的整體位移偏大。

圖7 扶強(qiáng)材變形圖

2.2 階梯型艙壁次要支撐構(gòu)件彎矩因數(shù)取值改進(jìn)

綜上可見，彎矩因數(shù)fbdg=10不適合作為折角處相連構(gòu)件的剖面模數(shù)計(jì)算輸入值，在不能設(shè)置水平桁或者平臺(tái)等強(qiáng)構(gòu)件對(duì)艙壁折角處進(jìn)行水平支撐的情況下，只能通過增大扶強(qiáng)材的構(gòu)件尺寸保證結(jié)構(gòu)安全。經(jīng)過迭代試算，當(dāng)彎矩因數(shù)取fbdg=3時(shí)，對(duì)應(yīng)的扶強(qiáng)材尺寸經(jīng)有限元驗(yàn)證可滿足規(guī)范要求，計(jì)算結(jié)果如表3所示。從表3可見，在僅增加1#、2#、3#扶強(qiáng)材構(gòu)件尺寸的情況下，其本身剛度變大，扶強(qiáng)材之間相互支撐的作用增強(qiáng)， 4#扶強(qiáng)材的應(yīng)力水平也顯著下降。

表3 艙壁正中間一列扶強(qiáng)材增加尺寸后的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

現(xiàn)行IACS《油船和散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》中次要支撐構(gòu)件的有效剖面模數(shù)計(jì)算公式適用于垂直艙壁上支撐構(gòu)件的設(shè)計(jì)，對(duì)階梯型艙壁次要支撐構(gòu)件的彎矩因數(shù)未作任何規(guī)定，規(guī)范雖提及對(duì)于端部約束減弱等情況的骨材須進(jìn)行直接計(jì)算校核，但是哪些屬于端部約束減弱的情況，主要依靠審圖師和設(shè)計(jì)人員的主觀判斷。本文針對(duì)階梯型艙壁可能存在的設(shè)計(jì)隱患，對(duì)其次要支撐構(gòu)件進(jìn)行有限元計(jì)算，提出一種階梯型艙壁次要支撐構(gòu)件彎矩因數(shù)取值的改進(jìn)方法。

對(duì)于階梯型艙壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，折角處的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)尤為重要。當(dāng)折角處設(shè)置了平臺(tái)或強(qiáng)有力的水平桁時(shí)，對(duì)相連扶強(qiáng)材可形成有效支撐，計(jì)算扶強(qiáng)材尺寸時(shí)可視為剛性固定邊界，彎矩因數(shù)取fbdg=10。如因布置或空間原因無法在折角處設(shè)置強(qiáng)支撐構(gòu)件時(shí)，扶強(qiáng)材的邊界條件近似為彈性簡(jiǎn)支固定，計(jì)算扶強(qiáng)材尺寸時(shí)彎矩因數(shù)可取fbdg=3，或者采用直接計(jì)算方式評(píng)估扶強(qiáng)材強(qiáng)度，通過適當(dāng)加大折角處相連扶強(qiáng)材的尺寸，保證結(jié)構(gòu)安全。該取值改進(jìn)方法為解決相關(guān)工程設(shè)計(jì)問題提供了一定的參考。