橢圓形艙口角隅的疲勞強(qiáng)度研究

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(1杭州市船舶檢驗(yàn)局，杭州310014 2浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310014)

大型散貨船舶的艙口角隅處是應(yīng)力集中的區(qū)域。在服役期間，該區(qū)域長期處于高低應(yīng)力交變狀態(tài)，因此疲勞問題尤為突出[1-2]。《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》[3]中對艙口角隅的形狀和厚度有明確的規(guī)定，然而這個(gè)規(guī)定是有一定的范圍的，如何從疲勞的角度確定最優(yōu)的橢圓形狀和厚度是設(shè)計(jì)和審圖部門都關(guān)心的問題。

應(yīng)用橢圓形艙口角隅網(wǎng)格自動劃分系統(tǒng)，創(chuàng)建多個(gè)不同尺寸、不同板厚的橢圓形角隅的有限元模型，并對其進(jìn)行熱點(diǎn)應(yīng)力分析，得出橢圓形艙口角隅的尺寸與板厚對疲勞壽命的影響規(guī)律。

1 橢圓形艙口角隅的相關(guān)規(guī)定

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》中指出當(dāng)強(qiáng)力甲板上機(jī)艙、貨艙開口的角隅是橢圓形時(shí), 角隅處的甲板不需加厚板,但需要滿足以下幾點(diǎn)。

1)角隅短邊長度取1/20左右的艙口寬度，并且不小于300 mm，也不必大于600 mm。

2)角隅長邊長度不得小于1/10的艙口寬度，也就是角隅長邊長度是短邊長度的兩倍以上。

《船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評估指南》[4]規(guī)定進(jìn)行甲板疲勞強(qiáng)度應(yīng)力直接計(jì)算時(shí)，只考慮總體波浪彎矩的作用，包含以下計(jì)算工況。

① 滿載或壓載下總體垂向波浪彎矩范圍。

② 滿載或壓載下總體水平波浪彎矩范圍。

2 橢圓形艙口角隅的網(wǎng)格自動劃分

采用橢圓形艙口角隅網(wǎng)格的自動劃分新方法，編寫針對橢圓形艙口角隅的細(xì)化工具[5]。采用該工具，針對某一散貨船的某一角隅，創(chuàng)建了不同尺寸、不同板厚的有限元模型，并對其進(jìn)行熱點(diǎn)應(yīng)力疲勞分析計(jì)算，研究角隅尺寸對疲勞強(qiáng)度的影響。

3 橢圓形艙口角隅疲勞分析

3.1 角隅疲勞分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

針對某33 200DWT散貨船進(jìn)行熱點(diǎn)應(yīng)力疲勞分析計(jì)算，該船除頂邊艙區(qū)域、外底板、內(nèi)底板采用 AH36以外，其余皆采用船用低碳鋼。船舶主尺度如下。

船長L170.000 m

船寬B26.000 m

型深D14.800 m

艙口寬度b14.944 m

不同尺寸角隅熱點(diǎn)應(yīng)力分析結(jié)果見表1。不同板厚角隅熱點(diǎn)應(yīng)力分析結(jié)果見表2。角隅細(xì)化模型及應(yīng)力分布見圖1～2。

角隅處的設(shè)計(jì)應(yīng)力幅值比較高，但都小于[SL](434 N/mm2)，故滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 橢圓形角隅熱點(diǎn)應(yīng)力規(guī)律分析

根據(jù)不同尺寸、板厚角隅熱點(diǎn)應(yīng)力分析結(jié)果繪制的曲線見圖3～6，縱坐標(biāo)分別取滿載和壓載下的應(yīng)力幅值SL，橫坐標(biāo)分別為板厚和長邊比短邊的值。

表1 不同尺寸角隅熱點(diǎn)應(yīng)力分析結(jié)果

表2 不同板厚角隅熱點(diǎn)應(yīng)力分析結(jié)果

圖1 艙口角隅及其相鄰結(jié)構(gòu)的細(xì)化模型

圖2 艙口角隅的應(yīng)力分布示意

根據(jù)曲線圖，對于橢圓形艙口角隅可以得出：

1)角隅短邊尺寸越長，設(shè)計(jì)應(yīng)力幅越小。因此，規(guī)范對角隅短邊長度的相關(guān)規(guī)定是比較合理的。

2)當(dāng)角隅長邊長度等于2倍的短邊長度時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)力幅最小。當(dāng)長邊長度小于2倍短邊長度時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)力幅增加的速度較快。而當(dāng)長邊大于2倍短邊時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)力幅增加的速度較緩。因此，規(guī)范對角隅長邊長度的相關(guān)規(guī)定也是合理的。

3)隨著角隅板厚的增加，設(shè)計(jì)應(yīng)力幅逐漸減小，但是，當(dāng)板厚增加到一定程度時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)力幅下降就相當(dāng)緩慢。

圖3 滿載時(shí)，角隅設(shè)計(jì)應(yīng)力幅隨尺寸的變化

圖4 壓載時(shí)，角隅設(shè)計(jì)應(yīng)力幅隨尺寸的變化

圖5 滿載時(shí)，角隅設(shè)計(jì)應(yīng)力幅隨板厚的變化

圖6 壓載時(shí)，角隅設(shè)計(jì)應(yīng)力幅隨板厚的變化

4 結(jié)論

應(yīng)用MSC.Patran有限元軟件對多個(gè)不同尺寸、不同板厚的橢圓形角隅進(jìn)行了熱點(diǎn)應(yīng)力疲勞分析。計(jì)算結(jié)果表明，對于橢圓形艙口角隅，就疲勞強(qiáng)度而言，現(xiàn)行《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》是合理的；角隅短邊長度盡量取大些，長邊長度取為短邊長度的2倍左右角隅熱點(diǎn)應(yīng)力最小；通過增加板厚減小熱點(diǎn)應(yīng)力僅在一定的范圍內(nèi)是有效的。

[1] 王東海，杜忠仁，胡安康，等.1700TEU集裝箱船甲板艙口角隅疲勞強(qiáng)度評估[J].中國造船，2001(2):63-68.

[2] 葉步永，謝永和.不同工況對克令吊艙口角隅應(yīng)力的影響[J].中國修船，2007(12):29-30.

[3] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[M]．北京：人民交通出版社，2006．

[4] 中國船級社．船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南[M]．北京：人民交通出版社，2007．

[5] 解添如,吳劍國,林 勇.橢圓艙口角隅有限元網(wǎng)格自動劃分研究[J].船舶,2012(6):27-30

[6] 單威俊，伊金秀，李 鋒，等.艙口角隅處網(wǎng)格劃分方法研究[J].船海工程，2008(1):10-14.