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        HCSR油船甲板強(qiáng)橫梁端部通道開孔分析

        2021-12-17 03:17:32陸月
        船海工程 2021年6期
        關(guān)鍵詞:跨距端部甲板

        陸月

        (中國船級(jí)社 廣州審圖中心,廣州 510235)

        《散貨船和油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(HCSR)》要求主要構(gòu)件端部肘板臂長應(yīng)不小于主要支撐構(gòu)件的腹板高度[1-2]。實(shí)際生產(chǎn)中,根據(jù)SOLAS公約要求需要在甲板強(qiáng)橫梁端部設(shè)置結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)通道,常用的布置一般是在橫梁端肘板下設(shè)置格柵式走道,或者在強(qiáng)橫梁端部腹板上開設(shè)人孔并在開孔下設(shè)置高腹板骨材作為走道。格柵式走道成本高,維護(hù)難,且需要在縱艙壁上焊接支點(diǎn),對縱艙壁特別是槽型縱艙壁壁板結(jié)構(gòu)不利。而設(shè)置端部開孔通道型式簡單,基本無需維護(hù),同時(shí)走道結(jié)構(gòu)可以參與船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,是更優(yōu)的選擇。開孔的最小尺寸為800 mm×600 mm,且需要保證走道距離甲板高度不小于1.6 m[3],典型甲板強(qiáng)橫梁端部開孔通道結(jié)構(gòu)示意見圖1。

        圖1 典型甲板強(qiáng)橫梁端部開孔通道結(jié)構(gòu)示意

        但是,甲板強(qiáng)橫梁端部的開孔會(huì)形成空腹梁[4],對其強(qiáng)度特性會(huì)產(chǎn)生一定影響[5]。HCSR在結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算中對強(qiáng)橫梁端部肘板高度有要求,并將強(qiáng)橫梁簡化為端部固支的單跨梁,給出強(qiáng)度計(jì)算中彎曲跨距和剪切跨距的度量方法,端部開孔是否會(huì)削弱強(qiáng)橫梁端部剛度,影響固支簡化及跨距量取有效性,影響計(jì)算精度。實(shí)際設(shè)計(jì)中,可增加強(qiáng)橫梁端部腹板高度,緩解開孔帶來的結(jié)構(gòu)削弱,但對于設(shè)置縱向槽型艙壁的船舶,由于強(qiáng)橫梁端部與縱艙壁頂?shù)实倪B接布置限制,無法升高端部腹板高度。對于腹板高度不受限制的船型,升高腹板高度則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量的增加。

        為此,針對某HCSR油船,建立甲板板架結(jié)構(gòu)有限元模型,對比分析強(qiáng)橫梁端部設(shè)置開孔通道及端部腹板升高時(shí)的變形和應(yīng)力;對比不同尺度HCSR油船甲板強(qiáng)橫梁設(shè)置開孔通道對強(qiáng)橫梁強(qiáng)度的影響,探討在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許的情況下,甲板強(qiáng)橫梁端部開孔的可行設(shè)計(jì)方案。

        1 端部開孔時(shí)的甲板強(qiáng)橫梁強(qiáng)度特性

        某HCSR油船,其甲板強(qiáng)橫梁端部設(shè)有人孔800 mm×600 mm,端部高度等于2倍腹板高度。以此為基礎(chǔ),建立3個(gè)甲板板架結(jié)構(gòu)對比模型。模型①甲板強(qiáng)橫梁端部不開孔;模型②甲板強(qiáng)橫梁端部開孔,端部高度等于開孔高度加2倍腹板高度;模型③甲板強(qiáng)橫梁端部開孔,端部高度等于2倍腹板高度(即為本船實(shí)際情況)。具體見表1。

        表1 對比模型信息

        應(yīng)用有限元軟件MSC.Patran/Nastran建立模型,見圖2。

        圖2 有限元對比模型

        對3個(gè)模型施加同樣的邊界和載荷,強(qiáng)橫梁端面固支;甲板上施加HCSR-SDP中所有動(dòng)、靜工況下的最大載荷。甲板板架結(jié)構(gòu)中間強(qiáng)橫梁的計(jì)算結(jié)果見圖3~5。

        圖3 強(qiáng)橫梁變形云圖

        由圖3~5可以看出,除去甲板縱骨、端部開孔周圍的應(yīng)力集中區(qū)域,3個(gè)模型強(qiáng)橫梁整體變形、應(yīng)力的分布基本相當(dāng)。提取圖3~5中強(qiáng)橫梁最大變形、抗彎跨距端部的面板最小組合應(yīng)力,抗剪跨距端部的腹板最大剪切應(yīng)力,見表2。

        表2 3種模型最大變形和應(yīng)力對比

        表2顯示,在相同條件下,模型②強(qiáng)橫梁較模型①強(qiáng)橫梁抗變形能力提高了22.6%,抗剪能力提高了15.5%。模型③強(qiáng)橫梁較模型①強(qiáng)橫梁抗變形能力減少了3.3%,抗剪能力提高了0.3%。

        模型②強(qiáng)度特性較模型①有顯著提高,模型③強(qiáng)度特性與模型①相當(dāng)。因此,對本船而言,沒必要在強(qiáng)橫梁端部開孔的情況下,增大端部總高度使其滿足HCSR規(guī)范布置要求,現(xiàn)有端部形式已經(jīng)具有足夠的強(qiáng)度。

        2 端部開孔的強(qiáng)橫梁最小腹板高度

        船舶尺度減小時(shí),甲板強(qiáng)橫梁腹板高度也會(huì)相應(yīng)減小。但由于檢驗(yàn)通道的開孔尺寸至少需達(dá)到800 mm×600 mm,且需要保證走道距離甲板高度不小于1.6 m,隨著強(qiáng)橫梁腹板高度的減小,端部開孔對強(qiáng)橫梁的變形、應(yīng)力影響逐漸增大[6-7],當(dāng)達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí),端部開孔會(huì)削弱強(qiáng)橫梁端部剛度,影響固支簡化及跨距量取有效性。

        圖4 強(qiáng)橫梁面板最小組合應(yīng)力云圖對比

        圖5 強(qiáng)橫梁剪切應(yīng)力云圖對比

        上節(jié)計(jì)算中甲板強(qiáng)橫梁腹板高度為1.2 m,根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)選取兩艘較小尺度的船舶,腹板高度分別為1.1 m及1.0 m,端部高度分別為2.2 m及2.0 m,建立甲板板架模型,對比不同腹板高度情況下,端部開孔與否時(shí)強(qiáng)橫梁的強(qiáng)度特性。

        相同腹板高度,端部開孔與否,強(qiáng)橫梁整體變形、應(yīng)力的分布基本相當(dāng),但腹板高度為1 m時(shí),端部開孔附近出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。

        忽略甲板縱骨、端部開孔周圍的應(yīng)力集中區(qū)域,提取強(qiáng)橫梁腹板高度每減小0.1 m時(shí),強(qiáng)橫梁最大變形、抗彎跨距端部的面板最大彎曲應(yīng)力,抗剪跨距端部的腹板最大剪切應(yīng)力,結(jié)果見表3。

        表3 不同腹板高度的強(qiáng)橫梁最大變形和應(yīng)力對比(增加1.2 m數(shù)據(jù))

        表3顯示,當(dāng)強(qiáng)橫梁腹板高度減小到1.1 m時(shí),強(qiáng)橫梁端部開孔較不開孔時(shí),抗彎能力減少7.8%;當(dāng)強(qiáng)橫梁腹板高度減小到1 m時(shí),強(qiáng)橫梁端部開孔較不開孔時(shí),抗彎能力減少14.8%,實(shí)際生產(chǎn)上已不可接受,結(jié)合開孔周圍出現(xiàn)明顯高應(yīng)力區(qū),建議端部開孔的強(qiáng)橫梁最小腹板高度不小于1 m,否則需要增加端部腹板高度或端部不開設(shè)人孔,設(shè)置非結(jié)構(gòu)格柵平臺(tái)。

        3 結(jié)構(gòu)輕量化

        甲板強(qiáng)橫梁端部設(shè)置800 mm×600 mm開孔(后簡稱開孔類型①),不增加端部腹板高度也可以滿足HCSR-SDP的要求。實(shí)際設(shè)計(jì)中,根據(jù)端部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布,還可以采用更大的開孔,如圖6所示(以下簡稱開孔類型②),其高度仍為800 mm。

        圖6 強(qiáng)橫梁端部開孔類型②結(jié)構(gòu)示意

        腹板高度在1.2 m時(shí),開孔類型①和開孔類型②的甲板板架結(jié)構(gòu)中間強(qiáng)橫梁的變形、應(yīng)力對比見圖7~9。

        圖8 兩種開孔強(qiáng)橫梁面板最小組合應(yīng)力云圖對比

        圖9 兩種開孔強(qiáng)橫梁剪切應(yīng)力云圖對比

        圖7~9顯示,兩種開孔下,強(qiáng)橫梁整體變形、應(yīng)力的分布基本相當(dāng)。提取強(qiáng)橫梁最大變形、抗彎跨距端部的面板最大彎曲應(yīng)力和抗剪跨距端部的腹板最大剪切應(yīng)力,結(jié)果見表4。

        表4 兩種開孔強(qiáng)橫梁對比

        表4顯示,在相同條件下,應(yīng)用開孔類型②的強(qiáng)橫梁較開孔類型①的強(qiáng)橫梁,抗剪切能力減弱了2.3%,兩類開孔的強(qiáng)橫梁強(qiáng)度特性基本相當(dāng),但開孔類型②比開孔類型①減少79.8%的面積。應(yīng)用開孔類型②有助于船體結(jié)構(gòu)輕量化。

        4 端部開孔周圍高應(yīng)力區(qū)分析

        此前的分析未考慮端部開孔周圍的應(yīng)力集中,這些局部高應(yīng)力區(qū)是否存在安全風(fēng)險(xiǎn),結(jié)合HCSR-DSA局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求進(jìn)行分析。采用開孔類型②的某HCSR油船中間艙橫框架有限元模型(增加艙段模型截圖)見圖10,其甲板強(qiáng)橫梁端部高度為2倍腹板高度。

        圖10 采用開孔類型②的某HCSR船中間艙橫框架

        根據(jù)HCSR-DSA粗網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果,當(dāng)甲板強(qiáng)橫梁端部開孔時(shí),與之相交的其他強(qiáng)構(gòu)件均滿足規(guī)范要求。根據(jù)HCSR-DSA細(xì)化建模要求對甲板強(qiáng)橫梁端部開孔進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,細(xì)網(wǎng)格區(qū)域中的所有板均使用殼單元建模,單元長寬比盡可能接近1,網(wǎng)格尺寸不大于50 mm×50 mm,網(wǎng)格密度由細(xì)網(wǎng)格區(qū)域至細(xì)網(wǎng)格模型的邊界應(yīng)保持光滑過度。使用子模型映射法施加HCSR-DSA要求的工況載荷和邊界。開孔周圍的應(yīng)力評(píng)估結(jié)果顯示,各工況下細(xì)化網(wǎng)格屈服利用因子與細(xì)化網(wǎng)格許用利用因子的最大比值為0.668,足以滿足HCSR規(guī)范要求。具體結(jié)果見圖11。

        圖11 細(xì)化網(wǎng)格屈服利用與許用利用因子比值

        因此,端部開孔周圍的應(yīng)力集中區(qū)域不會(huì)對甲板強(qiáng)橫梁的強(qiáng)度有很大的不利影響。

        5 結(jié)論

        1)HCSR油船甲板強(qiáng)橫梁端部設(shè)置開孔通道的情況下,端部高度等于2倍腹板高度時(shí),強(qiáng)橫梁已經(jīng)具有足夠的強(qiáng)度,沒必要額外增加端部高度使其滿足HCSR規(guī)范布置要求。

        2)由于端部開孔通道有最小尺寸限制,為滿足強(qiáng)度要求,端部開孔的強(qiáng)橫梁最小腹板高度建議不小于1.0 m。

        3)設(shè)計(jì)中,應(yīng)用開孔類型②可以在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下,減少更多強(qiáng)橫梁腹板面積,對船體結(jié)構(gòu)輕量化有幫助。

        4)在甲板強(qiáng)橫梁整體強(qiáng)度滿足HCSR規(guī)范要求的前提下,端部開孔周圍的應(yīng)力集中區(qū)域?qū)装鍙?qiáng)橫梁強(qiáng)度的影響有限。

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