船體典型結(jié)構(gòu)節(jié)點抗疲勞設(shè)計

李 濤， 羅秋明

(1.中船澄西船舶修造有限公司， 江蘇 江陰214433； 2.中國船級社 規(guī)范與技術(shù)中心， 上海200135)

0 引 言

引起船舶結(jié)構(gòu)破壞的形式很多，其中疲勞破壞是主要破壞形式。隨著船舶大型化以及高強度鋼材的廣泛使用，疲勞問題也更加突出。自20世紀90年代以來，各大船級社已發(fā)布針對船體結(jié)構(gòu)疲勞強度的評估指南[1-2]，其中中國船級社的“船體結(jié)構(gòu)疲勞強度指南”[3](以下簡稱疲勞指南)也于2001年正式發(fā)布。盡管在各指南中詳細的計算過程和計算公式不同，但目前各船級社主要采用簡化方法[4]和直接計算法[5]評估疲勞強度。簡化方法將疲勞載荷和應(yīng)力進行簡化，采用簡化公式進行計算。直接計算法通過直接計算得出載荷和應(yīng)力，再用基于譜分析的方法對疲勞累計損傷度進行計算。在對船體典型結(jié)構(gòu)節(jié)點進行疲勞校核時，一般針對縱向結(jié)構(gòu)(主要是縱骨)采用基于名義應(yīng)力的簡化方法，而對橫向結(jié)構(gòu)等其他一些復(fù)雜節(jié)點，如船中橫框架處的內(nèi)底與底邊艙斜板折角處，需采用基于艙段的精細網(wǎng)格有限元方法計算熱點應(yīng)力。對于艙口角隅，由于艙段有限元模型無法準確計算翹曲應(yīng)力，需采用基于全船有限元的方法進行疲勞評估。

采用簡化方法對縱骨進行疲勞校核的工作量相對較小，而采用熱點應(yīng)力法對復(fù)雜節(jié)點進行疲勞校核對人力、時間和技術(shù)手段都有很高的要求。因此，業(yè)內(nèi)從業(yè)者在積累了大量典型結(jié)構(gòu)節(jié)點的設(shè)計經(jīng)驗后，紛紛提出節(jié)點設(shè)計標準，由此也形成了典型結(jié)構(gòu)節(jié)點的另一種疲勞評估方法——疲勞評估的規(guī)范描述性方法。船體結(jié)構(gòu)節(jié)點按疲勞評估方法可進行如圖1所示的分類。

圖1 船體結(jié)構(gòu)節(jié)點

對于比較容易發(fā)生疲勞破壞的節(jié)點，可通過有限元法或簡化應(yīng)力法校核疲勞強度，而另一類節(jié)點產(chǎn)生裂紋的可能性可通過合理化設(shè)計降低，而這種合理的節(jié)點設(shè)計來源于疲勞設(shè)計原理、建造工藝和實船營運經(jīng)驗積累，即規(guī)范描述性的疲勞要求。在符合上述要求的情況下，認為可保證此類節(jié)點的疲勞強度。通過上述分析可得到如圖2所示的典型結(jié)構(gòu)節(jié)點疲勞評估流程。本文著重介紹船體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位選取、典型節(jié)點的抗疲勞優(yōu)化設(shè)計[6]和節(jié)點設(shè)計標準等內(nèi)容，旨在為業(yè)界開展結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計、優(yōu)化和疲勞強度評估提供參考。

圖2 典型結(jié)構(gòu)節(jié)點疲勞評估流程

1 疲勞關(guān)鍵位置識別

在船舶航行過程中，由于受到波浪載荷，船體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力不斷變化，相關(guān)結(jié)構(gòu)節(jié)點會產(chǎn)生疲勞損傷?？紤]到疲勞校核計算的巨大工作量，在實際工作中，只能選擇可能產(chǎn)生最嚴重疲勞損傷的部分位置進行疲勞校核評估。為了不影響疲勞評估結(jié)果，需篩選出能全面反映結(jié)構(gòu)中比較容易產(chǎn)生疲勞損傷的節(jié)點，這是疲勞結(jié)果評估中很關(guān)鍵的一步。

結(jié)構(gòu)的疲勞損傷由波浪彎矩、外部海水動壓力以及貨物特別是液貨運動產(chǎn)生的慣性力等的交變應(yīng)力所引起，對于動載荷和構(gòu)件應(yīng)力較大以及應(yīng)力集中比較嚴重的位置，疲勞問題往往比較嚴重，因此，通常選取如下船體結(jié)構(gòu)疲勞位置：

(1) 船中區(qū)域縱骨、外板縱骨的疲勞問題更為突出。在船中區(qū)域，由于總縱彎曲應(yīng)力較大，縱骨在橫艙壁和肋板連接處都可能產(chǎn)生較大的合成應(yīng)力，因此，船中區(qū)域縱骨需重點評估疲勞強度。圖3是船體雙層底縱骨與肋板連接的典型連接節(jié)點。

圖3 雙層底縱骨與肋板連接典型節(jié)點

(2) 船體橫向構(gòu)件的趾端處。船體橫向構(gòu)件需承受舷外海水的靜壓力、動壓力和貨物壓力，因此，橫向強框架的趾端、艙壁水平桁和垂直桁趾端等均會產(chǎn)生應(yīng)力集中，需重點評估疲勞強度。圖4是散貨船舷側(cè)肋骨典型趾端節(jié)點。

圖4 散貨船舷側(cè)肋骨典型趾端節(jié)點

(3) 艙口角隅。由于艙口角隅處于結(jié)構(gòu)突變處，往往存在較大應(yīng)力集中，通常需對其進行疲勞評估。圖5是船舶艙口角隅。

圖5 船舶艙口角隅

2 節(jié)點抗疲勞優(yōu)化設(shè)計

船體結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗疲勞設(shè)計決定了船舶的使用壽命。以40 000 t化學(xué)品船的兩個典型節(jié)點為例，對同一部位的兩個節(jié)點進行疲勞評估，然后對結(jié)果進行對比，以得出疲勞壽命更高的節(jié)點形式。以底墩斜板與內(nèi)底板連接節(jié)點為例，說明尺寸和應(yīng)力集中因素對疲勞強度的影響。

底墩斜板與內(nèi)底板相交的折角處節(jié)點形式1及改進形式2分別如圖6a)和圖6b)所示。其中形式2是在形式1的基礎(chǔ)上在折角處增加一個小肘板。分別建立形式1和形式2的細化有限元模型，如圖6c)和圖6d)所示。

圖6 底墩斜板與內(nèi)底板連接節(jié)點

對形式1和形式2的細化模型進行累計損傷度計算，得到折角形式1的累計損傷度D1=0.036，折角形式2的累計損傷度D2=0.021，很顯然形式2節(jié)點計算的疲勞壽命更高。由此可見，對折角節(jié)點增加肘板，可有效減少應(yīng)力集中，改善疲勞強度。

除基于改進結(jié)構(gòu)尺度的優(yōu)化設(shè)計外，還可通過改善焊接工藝、保證建造公差、增加焊后處理等系列措施來達到節(jié)點的優(yōu)化設(shè)計。

3 節(jié)點設(shè)計標準

3.1 節(jié)點設(shè)計標準的應(yīng)用

基于長期的結(jié)構(gòu)疲勞強度校核經(jīng)驗和實船應(yīng)用數(shù)據(jù)的累積，各主要船級社在其各自的規(guī)范或疲勞指南中均提出類似的典型結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗疲勞設(shè)計圖冊。針對油船和散貨船，無論是先前的油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范[7]，還是已經(jīng)生效的最新協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范[8](HarmonizedCommonStructuralRulesforBulkCarriersandOilTankers，HCSR)，都提供了節(jié)點設(shè)計標準及應(yīng)用要求。以中國船級社疲勞指南為例，列舉幾個可免除疲勞強度校核的標準節(jié)點，供業(yè)內(nèi)相關(guān)技術(shù)人員更好地理解和使用節(jié)點設(shè)計標準。

(1) 散貨船槽型橫艙壁與頂?shù)市卑宓倪B接處，其節(jié)點設(shè)計標準如圖7所示。

圖7 散貨船槽型橫艙壁與頂?shù)市卑宓倪B接處

(2) 散貨船槽型橫艙壁與底凳頂板的連接處，其節(jié)點設(shè)計標準如圖8所示。

圖8 散貨船槽型橫艙壁與底凳頂板的連接處

(3) 單殼散貨船舷側(cè)肋骨與底邊艙和頂邊艙的連接處，其節(jié)點設(shè)計標準如圖9所示。

圖9 單殼散貨船舷側(cè)肋骨與底邊艙和頂邊艙的連接處

此外，疲勞指南還提供了散貨船、油船和集裝箱船的船體結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計，旨在為設(shè)計者對關(guān)鍵位置改進結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計提供技術(shù)指導(dǎo)(非強制性要求)，以提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

3.2 艙口角隅的規(guī)范描述性疲勞要求

對于通用船舶(含散貨船等)和集裝箱船(包括其他大開口船舶)的艙口角隅，《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(以下簡稱“鋼規(guī)”)[9]分別給出了角隅處甲板的補強方式，并分別對角隅半徑、嵌入板板厚和布置細節(jié)等作出了詳細規(guī)定。這些描述性要求與HCSR或其他船級社規(guī)范基本一致，屬于艙口角隅的抗疲勞設(shè)計標準。

此外，HCSR還明確指出：對于船長在150 m以上的船舶，艙口角隅半徑、嵌入板的厚度和范圍可由屈服、屈曲和疲勞強度評估決定，即艙口角隅的規(guī)范描述性疲勞要求可由包括疲勞強度評估在內(nèi)的直接計算方法代替。對此觀點，筆者部分認同。一方面，抗疲勞設(shè)計的描述性要求來源于長期經(jīng)驗積累，可對艙口角隅的結(jié)構(gòu)安全性進行有效控制，因此滿足此描述性要求的艙口角隅應(yīng)明確可免除包含屈服、屈曲和疲勞在內(nèi)的直接計算校核，在這一點上筆者與HCSR的觀點是一致的；另一方面，艙口角隅加強嵌入板作為整體的板格，能避免在艙口角隅高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)對接焊縫，可有效提高結(jié)構(gòu)的疲勞強度，這一點在直接計算中無法體現(xiàn)。另外，角隅半徑尺寸較小，在直接計算中同樣很難做到精確校核?；谏鲜龇治?，筆者認為只有嵌入板的厚度可通過直接計算來確定，其余應(yīng)滿足描述性要求。

“鋼規(guī)”中有關(guān)艙口角隅的描述性要求進一步明確了嵌入板的延伸范圍(如圖10所示，其中：R為艙口角隅半徑；e應(yīng)不小于760 mm，且對于縱骨架式應(yīng)不小于1個縱骨間距)，并增加“當嵌入板厚度不能滿足上述要求時，應(yīng)采用包括屈服、屈曲及疲勞在內(nèi)的直接計算方法予以驗證”的規(guī)范要求；該修改明確了艙口角隅節(jié)點設(shè)計標準在規(guī)范中的應(yīng)用，減輕了設(shè)計時對于艙口角隅疲勞校核計算的工作量，同時有助于實現(xiàn)艙口角隅的多樣化設(shè)計，滿足不同船型的優(yōu)化需求。

圖10 艙口角隅加強嵌入板的延伸范圍

4 結(jié) 論

通過對船體典型結(jié)構(gòu)節(jié)點抗疲勞設(shè)計進行研究，得到以下結(jié)論：

(1) 疲勞計算方法包括簡化方法和直接計算法，直接計算法對復(fù)雜節(jié)點的疲勞校核對人力、時間及技術(shù)等有較高的要求，而簡化計算方法工作量相對較小。對于規(guī)范未強制要求采用直接計算法的節(jié)點，可根據(jù)疲勞評估的規(guī)范描述性方法進行設(shè)計。

(2) 疲勞關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)選擇在動載荷和構(gòu)件應(yīng)力較大以及應(yīng)力集中比較嚴重的位置進行校核，如中部區(qū)域縱骨、船體橫向構(gòu)件的趾端處和艙口角隅等。

(3) 利用抗疲勞設(shè)計優(yōu)化方法并結(jié)合共同結(jié)構(gòu)規(guī)范和實船經(jīng)驗對油船、散貨船等船舶典型結(jié)構(gòu)節(jié)點進行分析，得出若干典型節(jié)點的抗疲勞設(shè)計標準，在具體設(shè)計時可參照這些設(shè)計標準。

(4) 在規(guī)范中疲勞描述性要求對艙口角隅疲勞校核有明確的規(guī)定，可減小在設(shè)計時對艙口角隅疲勞計算的工作量，同時有助于實現(xiàn)艙口角隅的多樣化設(shè)計，滿足不同船型的優(yōu)化需求。