雙層底肋板貫穿孔孔邊應力數(shù)值仿真分析

丁運來，王 為，柯 力

（1. 中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433；

2. 江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913；

3. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引 言

船舶在風浪中航行過程中，船體結(jié)構(gòu)受總縱彎曲與艙外水壓、貨物載荷等組合載荷的長期作用，局部結(jié)構(gòu)經(jīng)常會發(fā)生疲勞破壞。日本船級社[1]對第二代超大型油船（Very Large Crude Carrier, VLCC）的破損情況進行統(tǒng)計，結(jié)果表明，大部分船舶的縱骨與強框架或橫艙壁連接處的疲勞損傷情況較為突出，約占統(tǒng)計的全部損傷的70%。對于中大型船舶而言，其雙層底結(jié)構(gòu)除了滿足規(guī)范要求的許用應力[2]，還需考慮裝載情況和吃水深淺的不斷變化會造成船舶內(nèi)外底之間存在交變的壓縮載荷，使得內(nèi)外底之間桁材開孔處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，導致疲勞破壞[3]。因此，對船舶雙層底結(jié)構(gòu)骨材貫穿孔區(qū)域開展疲勞評估工作具有重要意義。

通常采用S-N曲線法[4-6]研究船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度問題，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)求出適用于結(jié)構(gòu)類型的S-N曲線，結(jié)合P-M公式得到結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。LOTSBERG等[7]基于該方法，針對浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading, FPSO）舷側(cè)區(qū)域骨材開孔的疲勞問題開展全尺寸模型試驗研究，給出S-N疲勞強度設計曲線。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元數(shù)值仿真方法已成為研究船體結(jié)構(gòu)疲勞問題的重要方法之一。萬正權(quán)等[8]以船體艙壁板上縱骨開孔為研究對象，利用有限元軟件 ANSYS開展骨材貫穿孔孔邊應力集中問題分析，給出典型骨材貫穿孔的應力集中系數(shù)表。

本文以典型船體雙層底局部結(jié)構(gòu)為研究對象，基于大型有限元分析程序ABAQUS，分析彎曲、壓縮載荷作用下骨材開孔板孔邊應力分布情況；在此基礎上，討論不同的補強形式對孔邊應力分布的影響，為后續(xù)新式孔型的設計及孔邊加強方案的制訂提供參考。

1 有限元模型

1.1 雙層底局部結(jié)構(gòu)及補強方案

選取船舶典型雙層底局部結(jié)構(gòu)模型（見圖1），該模型由上下底板、帶有開孔的肋板和貫穿骨材組成，肋板上下各有3個貫穿孔。根據(jù)不同的加強方案，設置4組計算模型，分別編號為CP0-FB0、CP1-FB0、CP0-FB1和CP1-FB1，其中，CP0代表無補板，CP1代表有補板，F(xiàn)B0代表無扶強材，F(xiàn)B1代表有扶強材，具體尺寸見表1。

圖1 雙層底局部結(jié)構(gòu)模型（CP1-FB1）

1.2 載荷施加方案

以船體主要構(gòu)件（肋板）在船舶實際航行過程中的受力情況為基礎，結(jié)合現(xiàn)有的試驗設備，針對骨材開槽孔模型開展試驗設計（見圖2），設計彎曲、壓縮2種加載方案。方案一通過三點彎的加載方式模擬船舶雙層底結(jié)構(gòu)由于橫向彎曲變形而引起的彎曲載荷作用，即在雙層底局部模型開孔A1和A3對應加筋根部沿加筋布置方向約束y方向、z方向的平動和x方向的轉(zhuǎn)動自由度，沿開孔B2對應加筋根部方向施加均布線載荷，載荷大小為4t；方案二對下底板施加剛性固定約束，對上面板施加40t的均布面載荷，模擬雙層底結(jié)構(gòu)在水壓與艙內(nèi)載荷共同作用下受到的壓縮載荷作用。

圖2 載荷施加方案及開孔編號

按照雙層底局部結(jié)構(gòu)尺寸及2種載荷方案分別建立有限元模型（見圖3，以方案一為例）。模型試件材料為船用低碳鋼，彈性模量E= 2 .06× 1 011Pa ，泊松比v=0.3，質(zhì)量密度ρ= 7 850 kg/m3。采用4節(jié)點縮減積分板殼單元（S4R）建立模型，整體網(wǎng)格尺寸為20mm×20mm，對模型孔邊網(wǎng)格進行細化處理，孔邊網(wǎng)格尺寸為5mm×5mm。

1.3 測點布置

通過在孔邊布置應變片，獲得試驗過程中孔邊應力的分布情況。以前期仿真計算結(jié)果為基礎確定布片方案（見圖4）。各試件應變片均主要布置于A1和B2處，各測點均布置三向應變花。在有補板的情況下孔邊布置9個應變花，其中：A～H分別表示開孔-90°、-45°、0°、45°、90°、135°和180°；I點位于補板與孔邊交點位置處（無補板時不布片）?？紤]扶強材開孔處也存在孔邊應力，布置編號為K的應變花于其半圓部分的90°位置處（見圖4d)）。

圖3 有限元模型

圖4 布片方案

2 結(jié)果分析

2.1 載荷形式對孔邊應力的影響

圖5給出4組模型在彎曲、壓縮載荷作用下的A1孔處的孔邊應力分布云圖。由圖5可知，骨材開孔孔邊存在明顯的應力集中現(xiàn)象。在彎曲載荷下，無補板時（CP0），孔邊最大應力區(qū)域較為集中，位于 0°附近，最大應力為87.7MPa；增設補板后（以CP1-FB0-W為例），孔邊應力集中現(xiàn)象得到很好的改善，但在補板與肋板連接處出現(xiàn)新的局部高應力點，最大應力為60.8MPa。在壓縮載荷下，無補板時孔邊應力集中現(xiàn)象與彎曲載荷作用情況類似，高應力區(qū)域集中在0°附近，最大應力為205.8MPa；但在有補板情況下，肋板開孔孔邊應力并沒有得到很好的改善，且由于補板的存在，在補板與肋板連接處出現(xiàn)新的應力集中區(qū)域（以CP1-FB0-Y為例），最大應力為215.6MPa。綜上所述，在彎曲、壓縮2種載荷作用下，骨材開孔孔邊高應力區(qū)域的分布在無補強結(jié)構(gòu)時具有一定的相似性，而增設補強結(jié)構(gòu)會使2種載荷結(jié)構(gòu)下的孔邊應力分布出現(xiàn)差異。因此，需進一步對不同補強形式下孔邊應力分布情況進行分析。

圖5 各試件孔邊應力分布云圖

2.2 補強形式對孔邊應力的影響

以雙層底局部結(jié)構(gòu)A1孔為例，給出不同補強結(jié)構(gòu)下骨材開孔孔邊應力的分布情況（見圖6）。從圖6中可看出，不同補強形式對彎曲、壓縮2種載荷作用下的骨材孔邊應力集中情況的緩解效果有一定差異。在彎曲載荷作用下，增設補板、扶強材均可有效緩解骨材開孔0°附近的應力集中現(xiàn)象，最大應力分別降低至41.8MPa和55.0MPa（無補板和扶強材時孔邊最大應力為94.3MPa），但補板的布置會導致孔邊出現(xiàn)新的高應力區(qū)域，如在CP1-FB0-W試件處，增設補板會提高開孔190°附近的應力水平，最大應力由2.1MPa提高到50.8MPa；與之相比，在壓縮載荷作用下，增設補板對緩解骨材開孔孔邊應力集中沒有明顯幫助，且增設補板同樣會造成新的應力集中現(xiàn)象，如在CP1-FB0-W試件處增設補板會提高開孔165°附近的應力水平，最大應力由95.3MPa提高到164.1MPa。

圖6 不同補強形式下骨材開孔孔邊應力分布情況

總而言之，骨材開孔孔邊應力集中情況與載荷形式有一定的相關(guān)性，且不同的補強形式在不同載荷作用下會影響骨材開孔孔邊應力的分布。鑒于此，考慮船體結(jié)構(gòu)主要受力形式，以此為依據(jù)增設不同的補強結(jié)構(gòu)可較為合理地緩解船體結(jié)構(gòu)上骨材開孔孔邊應力集中的現(xiàn)象。

表2為各開孔孔邊應力集中系數(shù)。由表2可知：增設補強結(jié)構(gòu)可減少骨材開孔孔邊應力集中情況的發(fā)生，且在彎曲載荷作用下增設補強結(jié)構(gòu)的作用十分明顯，應力集中系數(shù)大幅降低；在壓縮載荷作用下，補強結(jié)構(gòu)的布置也能降低開孔孔邊應力集中系數(shù)，但下降幅度較為平緩，效果不明顯，這與圖6中得到的分析結(jié)果一致。

表2 各開孔孔邊應力集中系數(shù)

3 結(jié) 語

本文以船體雙層底局部結(jié)構(gòu)為研究對象，采用數(shù)值仿真方法分析其在彎曲、壓縮載荷作用下骨材貫穿孔孔邊應力的分布情況，對比討論載荷形式和不同補強形式對孔邊應力分布的影響，得到以下結(jié)論：

1) 雙層底結(jié)構(gòu)在彎曲、壓縮載荷作用下，其內(nèi)外底間肋板開孔孔邊會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，在無補強結(jié)構(gòu)時，2種載荷作用下產(chǎn)生的高應力區(qū)域分布位置較為一致。

2) 在彎曲載荷作用下，通過增設補板與扶強材可有效緩解開孔孔邊的應力集中情況；而在壓縮載荷作用下，補板和扶強材的布置對緩解開孔孔邊應力集中情況的作用不明顯。

3) 在2種載荷作用下增設補板都會使補板與肋板連接處出現(xiàn)新的應力集中區(qū)域。

【 參 考 文 獻 】

[1] NK. Casualty review-comparative damage review of 2nd generation VLCCs[R]. 1998.

[2] 王中華. 近海供應船雙層底開孔結(jié)構(gòu)強度分析[J]. 船舶與海洋工程，2016, 32 (2): 16-20.

[3] 郭愛賓，邵文蛟. 船舶結(jié)構(gòu)疲勞強度分析中的幾個問題[J]. 中國造船，2000, 41 (1): 52-59.

[4] 王建輝，胡安康，楊凡，等. 基于譜分析法的大型集裝箱船疲勞強度評估[J]. 艦船科學技術(shù)，2017, 39 (13): 60-64.

[5] 劉玉超，任慧龍，孫梟雄，等. 復雜艙室船舶節(jié)點結(jié)構(gòu)疲勞強度評估方法研究[J]. 船舶力學，2017 (s1): 422-434.

[6] 羅盼，黃小平，孔小兵. 大型集裝箱船甲板縱骨節(jié)點疲勞壽命預報方法[J]. 船舶與海洋工程，2016, 32 (6): 1-10.

[7] LOTSBERG I, LANDET E. Fatigue capacity of side s in floating structures[J]. Marine Structures, 2005, 18: 25-42.

[8] 萬正權(quán)，徐秉漢. 縱骨穿過艙壁板的開孔應力集中系數(shù)[J]. 船舶力學，2002 (3): 28-36.