朱雨生,曹俊偉
(1.中國船舶重工集團公司第七二五研究所,河南 洛陽 471000;2.中國艦船研究設計中心,湖北 武漢 430064)
近年來,海上執(zhí)行任務越來越頻繁,任務周期越來越長。海上波浪復雜多變,船舶在海上航行,在復雜海況下船體結構也隨之產(chǎn)生交變響應。在交變載荷作用下,關鍵結構中應變應力較大的典型節(jié)點易發(fā)生疲勞問題。
針對船體結構典型節(jié)點疲勞強度問題,學者們開展了一系列研究。楊永祥等采用熱點應力法對某一巴拿馬型成品油輪疲勞熱點位置處(內(nèi)底與底邊艙斜板的焊接折角)的疲勞應力進行了計算,并根據(jù)JTP 規(guī)范對熱點位置的疲勞壽命進行了評估。范云等CSR 規(guī)范中的油船疲勞強度有限元分析的要求,采用直接計算的方法分析不同的節(jié)點形式對疲勞損傷的影響。本文針對某船的結構特點,確定了船體結構的危險剖面和典型節(jié)點評估位置。主要典型節(jié)點位于中部底邊艙斜板與內(nèi)底板的連接折角處、底邊艙斜板與內(nèi)舷板的連接折角處、甲板與槽形艙壁的連接處、內(nèi)底板與槽形艙壁連接處,依據(jù)《船體結構疲勞強度指南》(2021),選取船體中部區(qū)域5 種典型節(jié)點對該船進行疲勞壽命評估。
本論文的對象船的船長77.8m,船寬14.8m,型深6.10m,吃水為4.7m。
按照《船體結構疲勞強度指南》(2021)的規(guī)定,按規(guī)范初步核算下列工況:滿載出港工況;空載到港工況。在計算波浪彎矩時取波峰或波谷在船中狀態(tài),對應中拱和中垂兩種工況。兩種工況裝載情況如表1所示。
表1 作業(yè)工況組合表
依據(jù)規(guī)范載荷包括以下項目:垂向彎矩;舷外水壓力;貨物壓力及液體壓力,見圖1和圖2所示。
圖1 舷外水壓力加載圖
圖2 貨物壓力及液體壓力加載圖
在船舶與海洋工程領域,世界各大船級社(DNV,CCS 等)基本都推薦采用t×t 的網(wǎng)格尺寸,取距焊趾0.5t和1.5t 處為計算參考點。在從有限元模型中提取熱點應力后,進行插值,即由t/2 和3t/2 處的最大主應力外插得到焊趾(熱點)處的應力,熱點應力按公式(1)計算得到。
根據(jù)《船體結構疲勞強度指南》(2021),疲勞壽命評估按照下述方法進行計算。
結構節(jié)點在工況“(k)”時的累積損傷度Dk 應按下式計算:
S-N 曲線選用規(guī)范中CCS-C 曲線和CCS-D 曲線。K 和S取值見表2。
表2 K 和Sq 取值表
如圖3(a)是中部51#肋位船底縱骨細化具體位置示意圖,(b)中部51#肋位船底縱骨滿載中垂應力云圖對比圖。
圖3 51#底邊艙斜板與內(nèi)底板的連接折角處細化及其應力
如圖4(a)是2 號和3 號貨艙51#中間艙口角隅細化具體位置示意圖,(b)2 號和3 號貨艙51#中間艙口角隅滿載中垂應力云圖對比圖。
圖4 51#貨艙中間艙口角隅細化及第一主應力
如圖5(a)是中部60#肋位內(nèi)舷側與內(nèi)底相交處細化具體位置示意圖,(b)中部60#肋位內(nèi)舷側與內(nèi)底相交處滿載中垂應力云圖對比圖。
圖5 60#內(nèi)底板與槽型橫艙壁連接處細化及其應力
如圖6(a)是中部76#槽型艙壁與縱桁相交處細化具體位置示意圖,(b)中部76#槽型艙壁與縱桁相交處滿載中垂應力云圖對比圖。
圖6 76#槽型艙壁與主甲板連接處細化及其應力
如圖7(a)是80#強框架與主甲板和縱艙壁交接處細化具體位置示意圖,(b)是80#強框架與主甲板和縱艙壁交接處滿載中垂應力云圖對比圖。
圖7 80#強框架與主甲板和縱艙壁交接處細化及其應力
針對某船的結構特點,確定了船體結構的危險剖面和典型節(jié)點評估位置;依據(jù)規(guī)范,選取船體中部區(qū)域5種典型節(jié)點對該船進行疲勞壽命評估。疲勞壽命評估結果如下:
表3 典型節(jié)點疲勞評估結果
綜上所述,得到如下結論:
(1)經(jīng)過計算,典型節(jié)點1、2 和3 在滿載和壓載工況的熱點應力最大值介于(80~110)MPa,但是對應的設計應力范圍較小,評估得到的疲勞壽命遠超過設計壽命30年;典型節(jié)點4 和5 在滿載和壓載工況的熱點應力最大值介于(110~130)MPa,對應的設計應力范圍最大值介于(40~50)MPa,評估得到的疲勞壽命介于(200~300)年,滿足設計壽命30年的要求。
(2)通過對某船進行有限元計算及典型節(jié)點的疲勞評估,各典型節(jié)點均滿足壽命大于30年的要求,滿足規(guī)范需求。