服役船舶局部結構加強方案的研究

桂洪斌，夏鵬鵬，王國學，胡志寬，付 強

(1.哈爾濱工業(yè)大學(威海)船舶工程學院，山東 威海264209;2.中國石化勝利油田分公司海洋石油船舶中心，山東 龍口265700)

由于船舶長期在海水或潮濕的空氣等腐蝕介質中運營工作，因此在其服役期內，船上的構件遭受腐蝕是不可避免的，隨著船齡的增加，受到腐蝕的構件的厚度會逐漸變小，其抵抗變形和破壞的能力會隨之降低。因此對服役船舶在大修時進行必要的結構加強具有十分重要的意義，尤其是對于超期服役的船舶意義更為重大。為此，探討在不改變結構板材尺寸的前提下，通過更改結構扶強材以達到提高結構強度，彌補由于腐蝕等原因造成的強度損失的可能性。

以SL151號500 t起重船作為計算實例，該起重船于1987年在前蘇聯塞瓦斯拖波爾船廠建造完工，1996年底由勝利油田引入使用，并于2001年底至2002年，對SL151船進行了改裝建造，其主要改造措施是在原船48號肋位處附近，增加了19.8 m長的船體，使船舶提高了耐波性并最大程度地滿足埕島油田海上施工的其它需要。但隨著船齡的增加，SL151起重船船體構件的腐蝕損傷逐漸積累，有效厚度變小，對船舶強度造成影響。本文將運用有限元方法，對船體局部主要構件進行分析計算，并提出局部結構加強方案。

1 局部結構有限元分析

1.1 有限元模型建立

根據SL151號起重船的現有的靜水力曲線，重量分布表，邦戎曲線等相關資料，對各種工況下的船體總縱強度進行計算。由計算結果可知，船體的危險剖面在改造后船體的新舊結合處以及船舯部位，因此本文著重對這些位置的局部構件進行有限元分析。以#81+150肋位處為例，根據現有完工圖紙及其相關資料，按文獻［1］中的方法建立#81+150肋位處中內龍骨的局部有限元模型。

1.1.1 有限元模型參數設置肋距600 mm;

橫艙壁高度2 400 mm，寬度1 200 mm;

船底板長度在橫艙壁兩邊各2 400 mm，寬度1 200 mm。

船體局部結構形狀特殊，因此用建模Ansys對其進行分析時，不適宜采用梁單元，而應全部采用shell63單元，其材料為普通船用鋼Q235，彈性模量為210 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3。

1.1.2 邊界條件設置

船底板和龍骨的兩端設置為船長方向上的簡支約束。施加載荷時，選取最危險作業(yè)下工況，即進行艏吊作業(yè)情況下的載荷。模型所受載荷包括船底板均布水壓力，相鄰船體作用的軸向力及剪切力等。由于本文只做定性分析，只考慮水壓力以及軸向力的作用。施加邊界條件時，在模型的兩端建立剛性面，這樣能方便地施加兩端約束和軸向力，同時還消除了剛體位移［2］。根據上述條件，建立局部有限元模型見圖1。

圖1 局部有限元模型

1.2 有限元結果分析

使用Ansys進行局部結構的應力分析，其應力分布云圖見圖2。

圖2 局部結構應力分布云圖

從應力云圖可以看出，整體看來，龍骨腹板所受應力較小，面板所受應力較大，在肘板與龍骨面板處會產生應力集中，應力最大值位于新船體肘板與龍骨連接點處，大小為216.96 MPa。認為設計方案合理。

2 腐蝕后有限元模型

2.1 腐蝕折減的計算

船體結構受腐蝕的程度與其位置和保護方式等因素有很大的關系，考慮腐蝕損傷最直接的方法就是給定船體構件的腐蝕損耗率。國內外很多研究表明，船體構件的腐蝕損耗量隨著時間變化。在腐蝕的初始階段，腐蝕的速度為最大值，但隨著時間的增加，腐蝕的速率逐漸降低，并最終趨近于零。由此誕生出很多腐蝕模型，通過這些模型計算結構在服役期內任意時刻板厚的腐蝕量。

為了簡化問題，假定各構件的平均年腐蝕量是不隨時間變化的，即為定值，以此來對船體局部構件進行強度分析，參照均勻統計數據［3］，各構件的年腐蝕損耗量見表1。

表1 SL151船體構件平均年腐蝕損耗量

2.2 腐蝕后結構有限元模型

SL151于2001～2002年改造時對新舊結合處的一些構件也進行了更換，因此，此處構件的使用時間假定為10年，根據表1中構件平均年腐蝕損耗量，得出各構件在腐蝕后的有效厚度，見表2。

表2 腐蝕后船體構件的有效厚度

同樣，對腐蝕后的船體局部結構進行有限元分析，其應力分布云圖見圖3。

圖3 腐蝕后船體局部應力分布云圖

將腐蝕后的船體局部應力分布與腐蝕之前的應力分布進行比較分析可知，腐蝕后的船體應力最大值變?yōu)?30.13 MPa，相對于腐蝕前應力最大值增大了6.1%，說明腐蝕使局部各構件所受應力都增大，這增大了對各構件的損害，降低了船舶的安全性。

3 改造方案及對比分析

針對有限元分析的結果，根據文獻［4］第二篇第二章第五節(jié)有關規(guī)定，在原有結構基礎上進行船體局部改造。具體做法為:在橫艙壁與龍骨連接的一個肋距內，將龍骨的面板逐漸放寬，龍骨與橫艙壁連接，其面板的寬度為原面板寬度的2倍，考慮到改造后新船體部分與舊船體部分龍骨面板寬度不一樣，將舊船體部分的龍骨面板放寬至與新船體一樣，改造后，局部形式及尺寸見圖4。

圖4 改造后局部連接形式及尺寸

對于改造后的結構，依然用有限元分析軟件Ansys對其進行分析，根據改造后的結構尺寸，建立局部有限元模型，采用的材料屬性，單元，邊界條件以及載荷等均保持不變，通過有限元分析可以得到應力在改造后局部模型上的分布，見圖5。

圖5 改造后船體局部應力分布云圖

從圖5可以看出，與受腐蝕損耗后的局部結構相比，改造后最大應力值降低很明顯，相對于腐蝕后的最大應力值，降低了7.3%;各構件所受應力都有所降低，這提高了船舶運營中的安全性，且延長了船舶的使用壽命，從而增加了經濟效益。因此改造后的結構是合理可行的。

4 結論

計算分析表明，在不改變結構板材尺寸的前提下，通過更改結構扶強材的辦法以達到提高結構強度，彌補由于腐蝕等原因造成的強度損失是完全可行的。這對于服役船舶的結構強度加強，尤其是超期服役船舶，具有實際意義。

［1］王 波，楊 平.船舶結構節(jié)點的承載力分析［J］.船海工程，2010，39(4):18-21.

［2］馮國慶，任慧龍，李巧彥，等.艦船典型節(jié)點參數化建模及形狀優(yōu)化［J］.中國艦船研究，2009，4(4):28-33.

［3］王燕舞.考慮腐蝕影響船舶結構極限強度研究［D］.上海:上海交通大學，2008.

［4］尤尼捷爾.修船手冊［M］.陳民揚，譯.北京:人民交通出版社，1983.