基于HCSR的散貨船新型典型強(qiáng)框架設(shè)計(jì)

李文華,宋揚(yáng),邱吉廷

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

對于大型散貨船的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，目前基本是從彎矩、剪力，以及分艙等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)重量優(yōu)化，并沒有考慮建造工藝、人力成本,以及建造周期等決定建造成本的主要因素[1-3]。為此，以某18萬t散貨船為例，在控制結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)，充分考慮建造成本，對原典型強(qiáng)框架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過規(guī)范校核及有限元分析對優(yōu)化后的新型強(qiáng)框架進(jìn)行驗(yàn)證，并與原典型強(qiáng)框架對比，討論新型典型強(qiáng)框架設(shè)計(jì)及應(yīng)用的可行性。

1 新型典型強(qiáng)框架設(shè)計(jì)

典型強(qiáng)框架決定了船舶整個(gè)貨艙區(qū)的結(jié)構(gòu)布置，所以對典型強(qiáng)框架的優(yōu)化尤為重要。對所選大型散貨船典型強(qiáng)框架的優(yōu)化主要考慮以下幾方面。

①盡可能減少構(gòu)件類型規(guī)格，從而簡化建造工藝，同時(shí)可避免現(xiàn)場安裝錯(cuò)誤；②規(guī)范允許的條件下，加強(qiáng)筋盡可能兩端削斜，方便施工；③加強(qiáng)筋朝向盡可能一致，以避免建造過程中由于焊接造成分段翻身。某大型散貨船原有典型強(qiáng)框架和優(yōu)化后的新型典型強(qiáng)框架對比見圖1。

圖1 某大型散貨船原典型強(qiáng)框架與新典型強(qiáng)框架對比

從圖1中新型典型強(qiáng)框架與原典型強(qiáng)框架對比可見：①雙層底強(qiáng)框腹板上連接內(nèi)外底縱骨的加強(qiáng)筋改為兩端削斜、位置錯(cuò)開縱骨、靠近貫穿孔，并取消加強(qiáng)筋背肘板，見圖2。圖2a)，b)形式為原設(shè)計(jì)所采用的結(jié)構(gòu)形式，新型強(qiáng)框架采用c)形式；②頂?shù)走吪搹?qiáng)框，除了防傾肘板外，其他加強(qiáng)筋均未與縱骨面板連接，且加強(qiáng)筋兩端改為削斜形式；③頂?shù)走吪搹?qiáng)框大開孔邊緣面板，由T形改為L形，以方便分段建造及安裝；④根據(jù)強(qiáng)框上加強(qiáng)筋的跨距不同，對加強(qiáng)筋的尺寸進(jìn)行分類，盡可能減少零件規(guī)格數(shù)量。

圖2 腹板加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)形式細(xì)節(jié)

2 規(guī)范驗(yàn)證

2.1 縱骨

對于新型強(qiáng)框架，除了橫向強(qiáng)框結(jié)構(gòu)布置不同外，縱向構(gòu)件尺寸與原設(shè)計(jì)保持不變，所以其總強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，但由于腹板加強(qiáng)筋的調(diào)整及背肘板的取消，導(dǎo)致縱骨跨距變大，所以縱骨的剖面模數(shù)、疲勞，以及屈曲應(yīng)為主要校核驗(yàn)證內(nèi)容。

基于2018版HCSR(Common Structure Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers)[4]，對目標(biāo)船分別校核新型典型強(qiáng)框架在輕貨艙、重貨艙及重壓載艙內(nèi)縱骨的規(guī)范要求，并與原設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對比，具體見表1。

表1中選取了雙層底與頂?shù)走吪搩?nèi)的典型縱骨，由于各貨艙的校核參數(shù)變化基本一致，所以僅列出輕貨艙的計(jì)算結(jié)果。

表1 縱骨規(guī)范校核結(jié)果對比

由表1可以看出：

1)由于腹板加強(qiáng)筋形式修改及背肘板的取消，導(dǎo)致雙層底縱骨、舷側(cè)原本設(shè)有背肘板的縱骨跨距增加，從而帶來新型設(shè)計(jì)該區(qū)域的縱骨模數(shù)要求增加約20%，由此引起的單個(gè)強(qiáng)框間距增加的重量約0.8 t，再考慮到節(jié)省的肘板重量，單個(gè)強(qiáng)框重量增加約0.4 t。對于無背肘板，單面挺筋連接縱骨面板的形式，不能起到減跨的作用，所以模數(shù)要求沒有變化。

2)對于縱骨疲勞，腹板加強(qiáng)筋是否與縱骨連接決定了疲勞計(jì)算點(diǎn)的位置，加強(qiáng)筋與縱骨連接時(shí)，疲勞計(jì)算點(diǎn)為腹板加強(qiáng)筋的端部；無加強(qiáng)筋時(shí)，計(jì)算點(diǎn)為縱骨與腹板或補(bǔ)板的連接處。所以新型設(shè)計(jì)與原設(shè)計(jì)有所差異。

通過計(jì)算驗(yàn)證，縱骨尺寸在滿足模數(shù)的情況下，疲勞壽命可以滿足要求。

3)縱骨屈曲方面，由于屈曲能力校核中的縱骨跨距取強(qiáng)框間距，不考慮減跨，所以沒有變化。

2.2 橫向構(gòu)件

橫向強(qiáng)框規(guī)范驗(yàn)證主要關(guān)注腹板加強(qiáng)筋的模數(shù)、縱骨貫穿孔補(bǔ)板的強(qiáng)度、焊腳高度等。在進(jìn)行橫向強(qiáng)框驗(yàn)證時(shí)，除了加強(qiáng)筋與縱骨連接與否，其他參數(shù)均保持一致。

2.2.1 強(qiáng)框腹板加強(qiáng)筋

散貨船頂?shù)走吪撘话憔鶠閴狠d水艙，因此基于HCSR規(guī)范，腹板加強(qiáng)筋需滿足彎曲剛度要求，即腹板加強(qiáng)筋的最小慣性矩要求，以及承受晃蕩壓力的剖面模數(shù)要求。

1)最小慣性矩(I,cm4)要求。

(1)

腹板加強(qiáng)筋垂直于PSM跨距方向布置時(shí)：

(2)

式中：C為細(xì)長比；l為腹板加強(qiáng)筋長度，m；Aeff為腹板加強(qiáng)筋的凈橫截面積，cm2；tw為主要支撐構(gòu)件的腹板凈厚度，mm；ReH為主要支撐構(gòu)件腹板材料的最小屈服應(yīng)力，MPa。

2)承受晃蕩壓力的剖面模數(shù)(Z，cm3)要求。

(3)

式中：fbdg為彎矩因子；Cs為許用彎曲應(yīng)力系數(shù)；pslh為計(jì)算點(diǎn)處壓力。

從式(1)～式(3)可見，主要支撐構(gòu)件加強(qiáng)筋的彎曲剛度要求及承受晃蕩壓力的剖面模數(shù)要求與貨艙類型無關(guān)，所以僅列出了輕貨艙的計(jì)算結(jié)果，見表2。

表2中加強(qiáng)筋選取了雙層底與頂?shù)走吪搹?qiáng)框上典型加強(qiáng)筋。具體選取位置見圖1中相應(yīng)編號(hào)。

由表2可以看出：對于新型強(qiáng)框架設(shè)計(jì)，腹板加強(qiáng)筋形式的修改，增加了加強(qiáng)筋的跨距，所以其模數(shù)要求及慣性矩要求均大于原設(shè)計(jì)。但常規(guī)扶強(qiáng)材規(guī)格(原設(shè)計(jì))能夠滿足新型設(shè)計(jì)的規(guī)范要求，同時(shí)通過優(yōu)化腹板加強(qiáng)筋的布置及跨距可以進(jìn)一步有效控制新型典型強(qiáng)框架帶來的模數(shù)或慣性矩要求的增加。

國內(nèi)外學(xué)者正日益關(guān)注晶狀體在青少年屈光發(fā)育過程中的重要性，但是目前對于晶狀體屈光參數(shù)的觀察性研究存在如下問題。

表2 腹板加強(qiáng)筋規(guī)范要求對比

2.2.2 縱骨貫穿孔補(bǔ)板

縱骨穿過主要支撐構(gòu)件的腹板時(shí)，主要支撐構(gòu)件(PSM)與切口補(bǔ)板的剪切應(yīng)力需滿足規(guī)范要求。另外，對于原設(shè)計(jì)剖面和新型剖面，由于剪切應(yīng)力不同，焊接系數(shù)不同，導(dǎo)致加強(qiáng)筋、補(bǔ)板與PSM的焊腳高度也不同。由于在輕貨艙、重貨艙及重壓載艙的計(jì)算結(jié)果基本一致，所以表3僅列出了輕貨艙內(nèi)新型典型剖面與原典型剖面的補(bǔ)板強(qiáng)度的分析結(jié)果?？v骨貫穿孔補(bǔ)板選取位置對應(yīng)2.1節(jié)縱骨的選取位置。

表3 貫穿孔補(bǔ)板強(qiáng)度規(guī)范要求對比

由表3可以看出：

1)由于取消了縱骨挺筋及背肘板，新型設(shè)計(jì)的主要支撐構(gòu)件腹板及縱骨貫穿補(bǔ)板剪應(yīng)力均高于原設(shè)計(jì)。

2)雖然新型剖面的主要支撐構(gòu)件腹板及補(bǔ)板的剪切應(yīng)力增加較大，但基于原設(shè)計(jì)尺寸的情況下，均小于設(shè)計(jì)要求。

3)原設(shè)計(jì)(腹板骨材與相交骨材連接)，骨材和補(bǔ)板的焊接系數(shù)為0.38，而新設(shè)計(jì)(腹板骨材未與相交骨材連接)，補(bǔ)板焊接系數(shù)為0.44。對于焊腳高度要求方面的不同，在設(shè)計(jì)建造時(shí)需要特別注意。

3 縱骨貫穿孔的疲勞驗(yàn)證

關(guān)于腹板加強(qiáng)筋未與縱骨翼板連接的情況，HCSR規(guī)定，在1.1倍結(jié)構(gòu)吃水以下的舷側(cè)、船底、底邊艙等區(qū)域，補(bǔ)板形式需改為全補(bǔ)板，或采用規(guī)范設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)細(xì)節(jié)節(jié)點(diǎn)，見圖3。如采用其他補(bǔ)板形式，需證明其有足夠的疲勞強(qiáng)度。

圖3 腹板加強(qiáng)筋未與縱骨翼板連接時(shí)的貫穿孔標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

上述的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)為了避免硬點(diǎn)的出現(xiàn)，開孔四周均進(jìn)行了導(dǎo)圓及軟趾處理。由于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)存在大量圓弧及趾端，開孔輪廓定位及趾端焊接難度相對較大，所以上述節(jié)點(diǎn)并沒有在實(shí)船上得到大量應(yīng)用。但若采用其他貫穿孔形式，需證明其有足夠的疲勞壽命，或驗(yàn)證其具有與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)相當(dāng)?shù)钠趬勖?。因此，需通過直接計(jì)算及等效設(shè)計(jì)驗(yàn)證常規(guī)貫穿孔的疲勞壽命。

3.1 直接計(jì)算驗(yàn)證

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，選取疲勞壽命較低的雙層底外板縱骨BL19，底邊艙外板縱骨BL28與S2(具體位置見圖1)進(jìn)行貫穿孔的疲勞評估。建模要求按照HCSR規(guī)定進(jìn)行，熱點(diǎn)1(貫穿孔邊緣的角隅)采用t×t網(wǎng)格，熱點(diǎn)2(強(qiáng)框腹板/補(bǔ)板與縱骨腹板相交處),熱點(diǎn)3(強(qiáng)框腹板與補(bǔ)板搭接處)采用10×10網(wǎng)格，在熱點(diǎn)位置處設(shè)置虛擬梁單元，并通過殼單元模擬強(qiáng)框腹板與補(bǔ)板的搭接焊接節(jié)點(diǎn)。

評估關(guān)鍵熱點(diǎn)與有限元模型見圖4。

圖4 縱骨疲勞有限元模型及貫穿孔疲勞熱點(diǎn)位置

對于各熱點(diǎn)的評估方法，熱點(diǎn)1的疲勞評估是通過讀取自由邊虛擬單元的軸向應(yīng)力作為疲勞應(yīng)力進(jìn)行評估；熱點(diǎn)2，3疲勞的評估是選取相交處的4個(gè)單元進(jìn)行線性外插得到疲勞應(yīng)力進(jìn)行評估[5-6]。

輕貨艙、重貨艙以及重壓載艙縱骨貫穿孔疲勞計(jì)算結(jié)果見表4，表4中所選取的縱骨為規(guī)范驗(yàn)證中疲勞壽命較小的縱骨(表中僅列出貫穿孔各熱點(diǎn)疲勞壽命的最小值)。

表4 貫穿孔疲勞壽命直接計(jì)算結(jié)果 年

由表4可以看出：

1)熱點(diǎn)1(貫穿孔自由邊角隅)疲勞壽命均高于要求值；相比于直角點(diǎn)，管穿孔圓弧自由邊疲勞問題通常情況下不是決定點(diǎn)。

2)熱點(diǎn)2(強(qiáng)框腹板與縱骨腹板相交處)與熱點(diǎn)3(強(qiáng)框腹板與補(bǔ)板相交處)有部分低于設(shè)計(jì)值25年，主要原因在于新型設(shè)計(jì)中縱骨無挺筋連接，導(dǎo)致貫穿孔及補(bǔ)板與腹板連接處的應(yīng)力水平與原設(shè)計(jì)相比升高。原設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)(挺筋加背肘板)與新設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)貫穿孔附件的應(yīng)力分布見圖5，可以明顯看到，原設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力出現(xiàn)在挺筋的端部，而新設(shè)計(jì)的最大值位于貫穿孔及補(bǔ)板與縱骨的連接處。另外，兩者除了貫穿孔及補(bǔ)板與縱骨連接處高應(yīng)力點(diǎn)位置不同外，其他區(qū)域的應(yīng)力分布基本是一致的。

圖5 貫穿孔附件von Mises應(yīng)力分布

3)相比底部縱骨，底邊艙舷側(cè)縱骨的貫穿孔疲勞問題更為嚴(yán)重，所以對于新型設(shè)計(jì)，此區(qū)域需著重考慮。

對于新型設(shè)計(jì)中貫穿孔的疲勞問題，個(gè)別不滿足要求的貫穿孔可通過增加腹板厚度，采用標(biāo)準(zhǔn)貫穿孔形式或全補(bǔ)板來提高疲勞壽命。

3.2 等效設(shè)計(jì)驗(yàn)證

對于個(gè)別縱骨貫穿孔可通過直接計(jì)算的方法進(jìn)行直接驗(yàn)證，但是對于整個(gè)貨艙，此方法帶來的工作量巨大。所以對于整個(gè)貨艙骨材與強(qiáng)框架的貫穿孔形式均未按照圖2的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)，需采用等效驗(yàn)證方法，即證明替代的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)有等效的疲勞強(qiáng)度。由于所選目標(biāo)船縱骨為T型材，所以選取圖3中標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)貫穿孔形式c),d)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度比對。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)貫穿孔形式的建模要求與3.1節(jié)要求一致，評估模型見圖6。

圖6 貫穿孔疲勞節(jié)點(diǎn)有限元模型

熱點(diǎn)的評估方法與3.1節(jié)一致，輕貨艙、重貨艙及重壓載艙縱骨標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)貫穿孔疲勞計(jì)算結(jié)果見表5，縱骨位置與表5一致(表中僅列出貫穿孔各熱點(diǎn)疲勞壽命的最小值)。

表5 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)貫穿孔疲勞壽命計(jì)算結(jié)果 年

由表5可以看出：

1)熱點(diǎn)1(貫穿孔自由邊角隅)的疲勞壽命，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)基本一致，其結(jié)果不同主要取決于圓弧大小，但是結(jié)果均大于疲勞設(shè)計(jì)值。

2)熱點(diǎn)2(強(qiáng)框腹板與縱骨腹板相交處)和熱點(diǎn)3(強(qiáng)框腹板與補(bǔ)板相交處)的疲勞壽命與表5相比均有明顯提升，主要原因在于其連接節(jié)點(diǎn)由直角連接改為圓弧趾端過渡，從而提供疲勞壽命，可見圓弧及軟趾可有效改善疲勞問題。

3)對于新型設(shè)計(jì)中貫穿孔形式，若采用常規(guī)貫穿孔形式，其熱點(diǎn)2與熱點(diǎn)3的疲勞壽命為主要關(guān)注點(diǎn)。

經(jīng)驗(yàn)證由于所選常規(guī)貫穿孔無法滿足與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)相當(dāng)?shù)钠趶?qiáng)度，所以對于疲勞壽命無法滿足要求的縱骨貫穿孔，可采用全補(bǔ)板或標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)。針對標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的工藝難度，廣船國際進(jìn)行了部分優(yōu)化并應(yīng)用到某VLOC實(shí)船上[7]。因此，有必要通過全面優(yōu)化貫穿孔的形式，得到一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的疲勞壽命相當(dāng)且方便施工的貫穿孔形式，這部分需后續(xù)進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1)根據(jù)規(guī)范計(jì)算結(jié)果，新型強(qiáng)框架設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

2)對于新型強(qiáng)框架設(shè)計(jì)，有限元分析結(jié)果證實(shí)其關(guān)鍵在于縱骨貫穿孔的疲勞強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)需著重關(guān)注，必要時(shí)采用全補(bǔ)板或標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)。

3)對于非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)貫穿孔的疲勞強(qiáng)度，需采用直接計(jì)算方法或等效設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法進(jìn)行分析驗(yàn)證。

4)通過實(shí)船驗(yàn)證，新型典型強(qiáng)框架設(shè)計(jì)在大型散貨船中應(yīng)用是可行的，可以作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的新方向。