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        基于結(jié)構(gòu)共同規(guī)范的散貨船槽型艙壁優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2023-07-14 06:02:40盛利賢
        船舶與海洋工程 2023年3期
        關(guān)鍵詞:板厚屈曲腹板

        趙 欣,張 偉,盛利賢

        (上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

        0 引 言

        重壓載艙作為散貨船的特殊貨艙,其槽型艙壁既要起到分割艙室的作用,又需承受重壓載工況下的側(cè)向水壓。重壓載艙的載荷工況與普通貨艙相比更為復(fù)雜。在已有的重壓載艙槽型艙壁研究中:甘水來等[1]通過對(duì)槽條各要素進(jìn)行研究,得出了槽型艙壁重量隨槽條要素的變化規(guī)律;李文濤[2]運(yùn)用參數(shù)優(yōu)化方法確定了小靈便散貨船槽型艙壁的最佳槽條剖面幾何要素。這些研究僅以規(guī)范計(jì)算結(jié)果為主要依據(jù),未考慮槽型艙壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算結(jié)果的影響。

        《散貨船和油船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范》[3](Common Structure Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers,以下簡稱“結(jié)構(gòu)共同規(guī)范”)對(duì)板格的抗屈曲能力有嚴(yán)格的要求,導(dǎo)致在重壓載工況下槽型艙壁面向重壓載艙的面板的屈曲結(jié)果非常嚴(yán)重,由此造成槽型艙壁的板厚大幅增加,最終影響整個(gè)貨艙的結(jié)構(gòu)重量,增加船舶建造成本。因此,對(duì)重壓載艙槽型艙壁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是散貨船輕量化設(shè)計(jì)工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

        1 槽型艙壁基本設(shè)計(jì)參數(shù)

        對(duì)于槽型艙壁來說,其基本設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括面板寬度a、腹板水平寬度b、腹板寬度c、槽深d、槽形寬度Sw、槽型夾角φ、面板厚度tf和腹板厚度tw(見圖1)。按結(jié)構(gòu)共同規(guī)范的要求:φ≤55°;Sw=a +b;c =。因此,本文將a、b、d、tf和tw作為槽型艙壁結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化的基本尺度要素[2]。

        圖1 槽型艙壁的基本設(shè)計(jì)參數(shù)

        2 槽型艙壁的載荷和強(qiáng)度要求

        對(duì)于重壓載艙而言:當(dāng)該艙不作為壓載艙時(shí),其水密槽型艙壁應(yīng)按一般的貨艙艙壁設(shè)計(jì);當(dāng)該艙作為壓載艙時(shí),需考慮壓載水產(chǎn)生的側(cè)向載荷,此時(shí)應(yīng)按深艙水密艙壁的要求對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。

        根據(jù)結(jié)構(gòu)共同規(guī)范的要求,重壓載貨艙槽型艙壁的載荷主要由完整工況和進(jìn)水工況決定,其中:完整工況包括均勻裝載、隔艙裝載、正常裝載和重壓載等4 種;進(jìn)水工況包括有貨進(jìn)水和空艙進(jìn)水2 種。

        1)完整工況下的局部強(qiáng)度要求[4-5]為

        式(1)中:bp為槽條面板或腹板寬度;CCB為許用彎曲應(yīng)力系數(shù);P為設(shè)計(jì)載荷。

        2)進(jìn)水工況下的局部強(qiáng)度要求為

        式(2)中:SCW為槽條面板或腹板寬度;PR為設(shè)計(jì)載荷。

        在進(jìn)水工況下,除了要滿足局部強(qiáng)度的要求以外,還應(yīng)考慮槽條的抗彎曲能力、槽條腹板的抗剪切能力和槽條腹板的剪切屈曲強(qiáng)度的要求。

        1)槽條的抗彎曲能力為

        式(3)中:WLE為槽條下端凈剖面模數(shù);WM為槽條中端凈剖面模數(shù);M為槽條承受的彎矩。

        2)槽條腹板的抗剪切能力為

        3)槽條腹板的剪切屈曲強(qiáng)度滿足

        式(5)中:τC為剪切屈曲應(yīng)力。

        3 槽型艙壁強(qiáng)度計(jì)算

        在對(duì)水密槽型艙壁進(jìn)行計(jì)算分析時(shí),可將其看成由多個(gè)槽條構(gòu)成的結(jié)構(gòu),每個(gè)單一槽條可分成上、中、下等3 部分[2]。根據(jù)結(jié)構(gòu)共同規(guī)范的要求,槽條上端高度lU≤0.3lC,槽條下端高度lL≥0.15lC,槽條中端高度lM=lC-lU-lL,其中l(wèi)C為槽條跨距。

        考慮到加工工藝的傾向性,以某型210KBC 冷彎型槽型艙壁為研究對(duì)象,初始方案中單一槽條的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù):a =1 200 mm;b =420 mm;d =1 200 mm;c =1 271.38 mm。

        將水密槽型艙壁看成由8 個(gè)槽條組成的結(jié)構(gòu),見圖2。按上述規(guī)范的要求,lU=4 400 mm,lM=7 245 mm,lL=3 450 mm,見圖3。

        圖2 水密槽型艙壁的組成

        圖3 槽型艙壁基本布置

        針對(duì)槽型艙壁強(qiáng)度的計(jì)算評(píng)估主要由規(guī)范計(jì)算和直接計(jì)算2 部分組成,選取圖3 中5 個(gè)不同位置處的板格進(jìn)行分析。表1 為完整工況和進(jìn)水工況下的最小板厚要求值。從表1 中可看出:無論是完整工況還是進(jìn)水工況,槽條下端最小板厚要求值都最大;從船中到舷側(cè),完整工況下的最小板厚要求值逐漸增大。對(duì)于同一板格,規(guī)范計(jì)算中的最小板厚主要由完整工況決定。圖4 為初始方案中槽型艙壁的板厚直接計(jì)算結(jié)果。從圖4 中可看出:槽條C7 和C8 的規(guī)范計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果相近,故兩者的板厚可由規(guī)范計(jì)算結(jié)果決定;其他槽條的板厚在有限元分析中均有所增加,且上端和中端板厚的變化較大。由此可知,槽條C1 ~C6 的板厚基本上由有限元分析結(jié)果決定。

        表1 完整工況和進(jìn)水工況下最小板厚要求值

        圖4 初始方案中槽型艙壁的板厚計(jì)算結(jié)果

        4 槽型艙壁優(yōu)化設(shè)計(jì)

        4.1 優(yōu)化方向

        通過比較規(guī)范計(jì)算中板格的各項(xiàng)能力值可知:板格抗彎曲能力值富余較大,因此在滿足強(qiáng)度衡準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上,可考慮適當(dāng)減小槽深和槽型艙壁的圍長,從而減輕結(jié)構(gòu)重量。表2 為板格能力規(guī)范值與實(shí)際值對(duì)比。在直接計(jì)算結(jié)果中,槽條C1 ~C6 上端和中端板厚增加的原因是槽型艙壁面板的抗屈曲能力較差,因此可考慮適當(dāng)減小面板尺寸,減小槽條板厚,提高結(jié)構(gòu)整體的經(jīng)濟(jì)性。

        表2 板格能力規(guī)范值與實(shí)際值對(duì)比

        4.2 槽深優(yōu)化

        初始方案中d =1 200 mm,在a 和b 均保持不變的情況下,對(duì)槽深進(jìn)行優(yōu)化評(píng)估,初步?jīng)Q定d 為1 150 mm、1 100 mm、1 050 mm、1 000 mm等4 種方案。

        首先對(duì)這4 種方案進(jìn)行規(guī)范計(jì)算,以panel 1 為例,當(dāng)a和b保持不變時(shí),隨著d的減小,c和載荷不變情況下規(guī)范要求的最小板厚也減小。

        當(dāng)d =1 050 mm或1 000 mm 時(shí),經(jīng)過計(jì)算可得c <a,此時(shí)板格最小板厚由a 值決定;當(dāng)d =1 000 mm時(shí),抗彎曲能力實(shí)際值接近規(guī)范要求值,此時(shí)槽深優(yōu)化已接近極限,見表3。

        表3 4 種優(yōu)化方案的槽深優(yōu)化規(guī)范計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比

        對(duì)上述4 種優(yōu)化方案進(jìn)行直接計(jì)算之后發(fā)現(xiàn):槽條C7 下端與C8 中下端的優(yōu)化結(jié)果均由規(guī)范計(jì)算結(jié)果決定,因此板厚小于初始方案;其他槽條在槽深逐漸減小過程中,因屈服和屈曲不滿足衡準(zhǔn)的要求而逐漸增加板厚,當(dāng)d =1 100 mm、1 050 mm和1 000 mm時(shí),槽條下端板厚變化較為明顯,見圖5。

        圖5 不同槽深優(yōu)化方案的板厚計(jì)算結(jié)果

        對(duì)幾種方案的設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)重量進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見表4。雖然優(yōu)化方案中各槽條的板厚均大于初始方案,但減小槽深可減小槽型艙壁的圍長,因此結(jié)構(gòu)重量均有所下降。

        表4 幾種方案的設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)重置對(duì)比

        從槽深取值為1 050 mm開始,結(jié)構(gòu)重量的變化呈上升趨勢(shì),此時(shí)板厚增加量已大于圍長減小量,因此槽深在1 100 ~1 200 mm范圍內(nèi)取值最適宜。

        4.3 面板寬度優(yōu)化

        由上述直接計(jì)算結(jié)果可知,槽型艙壁主要承受屈曲的板格為面向重壓載艙的面板,見圖6。

        圖6 主要承受屈曲的面板

        為探尋面板寬度發(fā)生變化對(duì)槽型艙壁屈曲結(jié)果的影響,首先僅以面板寬度a 為變量,槽深和各槽條的板厚保持不變,表5 為槽深d =1 200 mm時(shí)不同面板寬度下槽條C1 ~C6 的屈曲結(jié)果。由于槽條C7 和C8 的板厚基本上是由規(guī)范計(jì)算結(jié)果決定的,因此在表5 中未將兩者作為評(píng)估對(duì)象。由表5 可知:在直接計(jì)算中可通過減小面板寬度a 提升槽型艙壁面板的抗屈曲能力。但是,由之前的優(yōu)化分析可知,槽型艙壁的圍長對(duì)整體結(jié)構(gòu)重量有一定的影響,且只有面向重壓載貨艙的面板屈曲結(jié)果嚴(yán)重,由此設(shè)想在槽型艙壁前后采用非對(duì)稱式面板寬度,用a1表示面向重壓載貨艙的面板寬度,用a2表示另一面。

        表5 d =1 200 mm時(shí)不同面板寬度下槽條C1 ~C6 的屈曲結(jié)果

        當(dāng)槽深保持不變時(shí),面向重壓載貨艙的面板寬度盡量取小值,此時(shí)需尋求合理的腹板寬度b。本文從規(guī)范計(jì)算軟件中提取完整工況下各槽條承受的載荷,利用直接計(jì)算所得板厚,通過公式計(jì)算出各槽條能承受的最大腹板寬度b。綜合各槽條計(jì)算結(jié)果可確定:當(dāng)d =1 200 mm,a1=900 mm 時(shí),b =500 mm,c =1 300 mm。當(dāng)a2=1 300 mm時(shí),通過規(guī)范計(jì)算軟件進(jìn)行二次驗(yàn)算,可知結(jié)果滿足規(guī)范的要求。以上述槽深優(yōu)化分析結(jié)果為基礎(chǔ),選取槽深為1 200 mm、1 150 mm和1 100 mm,根據(jù)上述思路可確定d為1 150 mm和1 100 mm時(shí)槽型艙壁的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù),得到3 種槽深不同且面板非對(duì)稱的槽型艙壁結(jié)構(gòu)形式。

        圖7 為3 種優(yōu)化方案的板厚直接計(jì)算結(jié)果。從圖7 中可看出:方案D5 中上端板厚與初始方案相同,槽條中端為主要承受面板屈曲的區(qū)域,減小面板寬度可有效改善屈曲結(jié)果,因此優(yōu)化方案中槽條中端板厚相比初始方案均有所減?。辉诓蹢l上端與下端,優(yōu)化方案的板厚計(jì)算結(jié)果與初始方案相比有所增加,其中以槽深取值為1 100 mm時(shí)的變化最為明顯,此時(shí)表明減小槽深對(duì)面板屈曲結(jié)果的不利影響為主導(dǎo)因素。

        圖7 3種優(yōu)化方案的板厚直接計(jì)算結(jié)果

        將初始方案與優(yōu)化方案的計(jì)算結(jié)果相對(duì)比,結(jié)果見表6。從表6 中可看出:優(yōu)化方案中的圍長和結(jié)構(gòu)重量均小于初始方案,其中方案D7 中的槽型艙壁圍長最短,結(jié)構(gòu)重量最輕,與方案D6 接近。將方案D6 和方案D7 應(yīng)用于相鄰貨艙中,其艙段有限元結(jié)果滿足規(guī)范衡準(zhǔn)的要求。

        表6 初始方案與優(yōu)化方案的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        5 結(jié) 語

        本文以重壓載艙橫向槽型艙壁為研究對(duì)象,通過優(yōu)化研究發(fā)現(xiàn),從槽深和面板寬度2 方面進(jìn)行優(yōu)化的方向是可行的。通過對(duì)多種優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比分析可知,目前技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的優(yōu)化方案是槽深和面板寬度均有所改變,運(yùn)用分析評(píng)估所得優(yōu)化方案可有效提升面板的抗屈曲能力,減小槽型艙壁的結(jié)構(gòu)重量,節(jié)省建造成本。

        對(duì)于不同載重量的散貨船而言,可根據(jù)實(shí)際的船型參數(shù),在保證a1<a2的前提下,適當(dāng)調(diào)整其他槽條參數(shù),從而得到該船型下最優(yōu)的橫向槽型艙壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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