超大型礦砂船典型節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

林 莉，王麒琳

（中國(guó)船級(jí)社審圖中心，上海 200135）

0 前 言

隨著世界航運(yùn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，船舶大型化已成為各主力船型的主要發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于超大型礦砂船（Very Large Ore Carries，VLOC）和散貨船，為了保證經(jīng)濟(jì)性，其空船重量成為衡量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成功與否的主要標(biāo)桿，結(jié)構(gòu)優(yōu)化更是被廣泛用于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方方面面。

CAE技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合形成的新興技術(shù)，作為一項(xiàng)跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù)，越來(lái)越受到科技界和工程界的重視。本文利用CAE軟件對(duì)船體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行了分析和評(píng)估，在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)比較計(jì)算，以可視化的手段更加方便快捷地實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 細(xì)化網(wǎng)格有限元分析要求

船體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)連接有下列兩類最基本的形式：一類是結(jié)構(gòu)幾何連接突變處，如：VLOC的縱艙壁與內(nèi)底板相交處、雙殼油船的底邊艙折角、集裝箱船的內(nèi)殼和平臺(tái)的連接部位等，這類結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的構(gòu)造特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置上是突變的；另一類是肘板連接處，如：局部縱桁與縱向骨材的肘板端部連接、甲板縱骨與橫艙壁垂直扶強(qiáng)材的肘板端部連接等。

對(duì)于VLOC，縱艙壁與內(nèi)底板相交處必須進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化；當(dāng)艙段部位粗網(wǎng)格不能準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，并且超出粗網(wǎng)格篩選衡準(zhǔn)（其結(jié)果超出90%的許用應(yīng)力）時(shí)，則應(yīng)采用細(xì)化網(wǎng)格進(jìn)行分析。IACS共同結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)細(xì)化網(wǎng)格分析的要求歸納為：

1)建模要求：根據(jù)節(jié)點(diǎn)形式，網(wǎng)格尺寸可采用50mm×50mm、100mm×100mm、200mm×200mm。從細(xì)化網(wǎng)格到較粗網(wǎng)格的過(guò)渡應(yīng)保持平穩(wěn)。單元的長(zhǎng)寬比應(yīng)盡可能保持接近1，應(yīng)避免網(wǎng)格密度的變化和三角形單元的使用。當(dāng)采用50mm×50mm網(wǎng)格時(shí)，細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的骨材應(yīng)使用板單元建模。

2)邊界條件及載荷：可使用嵌入法或獨(dú)立局部有限元模型法。使用獨(dú)立局部有限元模型法時(shí)，從艙段有限元模型中得到的節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)作為給定位移，施加到局部模型的對(duì)應(yīng)邊界節(jié)點(diǎn)上；細(xì)化區(qū)域內(nèi)所有局部載荷，也應(yīng)施加到局部有限元模型上。

3)衡準(zhǔn)要求：細(xì)化網(wǎng)格許用應(yīng)力等于粗網(wǎng)格許用應(yīng)力乘以應(yīng)力放大系數(shù)。不同細(xì)化網(wǎng)格尺寸，應(yīng)適用不同的應(yīng)力放大系數(shù)，詳見(jiàn)表1。

表1 細(xì)化網(wǎng)格許用應(yīng)力

表中：[σvm]——粗網(wǎng)格艙段模型的von Mises許用應(yīng)力，N/mm2。

細(xì)化有限元分析的流程見(jiàn)圖1。

圖1 細(xì)化有限元分析流程

2 VLOC節(jié)點(diǎn)分析及優(yōu)化實(shí)例

以2艘VLOC的結(jié)構(gòu)有限元分析為例，根據(jù)艙段粗網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果，對(duì)雙層底局部短縱桁與內(nèi)底/外底縱骨連接過(guò)渡區(qū)域、槽形橫艙壁底凳與縱艙壁相交處、橫艙壁水平桁與外板縱骨連接過(guò)渡區(qū)域等部位進(jìn)行了細(xì)化網(wǎng)格分析。

2.1 雙層底局部短縱桁節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

A型VLOC位于橫艙壁處的雙層底局部短縱桁向前/后各延伸一檔強(qiáng)框架間距（約 6m）與內(nèi)底/外底縱骨的連接過(guò)渡區(qū)域設(shè)置肋板扶強(qiáng)材及過(guò)渡肘板，扶強(qiáng)材大小為350mm×12mm/150mm×12mm，過(guò)渡肘板呈30°三角形，圓弧半徑為600mm，節(jié)點(diǎn)形式見(jiàn)圖2，細(xì)化網(wǎng)格模型見(jiàn)圖3。

圖2 原結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式

經(jīng)細(xì)化網(wǎng)格分析后發(fā)現(xiàn)，在肘板趾端（圖 2、圖3中圓圈位置）存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，其值達(dá)到1080N/mm2。

經(jīng)分析后采用弱化原結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)原結(jié)構(gòu)兩種方案，有效改善了該節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2，修改后的節(jié)點(diǎn)形式見(jiàn)圖4和圖5。

圖 3 細(xì)網(wǎng)格模型

表2 細(xì)化網(wǎng)格應(yīng)力結(jié)果

圖4 減小肋板扶強(qiáng)材及過(guò)渡肘板節(jié)點(diǎn)型式

圖5 加強(qiáng)肋板扶強(qiáng)材及過(guò)渡肘板節(jié)點(diǎn)型式

經(jīng)過(guò)比較分析，該區(qū)域產(chǎn)生高應(yīng)力的主要原因在于：槽型橫艙壁底凳和局部雙層底縱桁的剛度極大，造成連接處的肘板剛度也很大，致使肘板與外底縱骨相交處的應(yīng)力得不到充分釋放。為了使應(yīng)力集中得到更好的釋放，采用兩種不同的方案對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。其一，“弱化”此處肘板結(jié)構(gòu)，適當(dāng)減小過(guò)渡肘板的剛度，以此加速應(yīng)力釋放，并提高過(guò)渡區(qū)域的強(qiáng)度，即：取消肋板扶強(qiáng)材及肘板面板，將普通鋼提高為AH36鋼，見(jiàn)圖4；其二，“加強(qiáng)”連接處的肋板扶強(qiáng)材、縱骨及過(guò)渡肘板成為一體式，并延長(zhǎng)過(guò)渡區(qū)域、加大肘板縱向跨距，見(jiàn)圖5。經(jīng)過(guò)計(jì)算，兩種方案均較好地滿足衡準(zhǔn)要求。

B型VLOC位于橫艙壁處的雙層底局部短縱桁向前/后僅延伸半檔強(qiáng)框架間距(約 3m)，與內(nèi)底/外底縱骨的連接過(guò)渡區(qū)域僅設(shè)置過(guò)渡肘板，肘板大小為700mm×700mm×12mm/120mm×11mm AH36，圓弧半徑800mm，局部短縱桁靠近過(guò)渡肘板處設(shè)有800mm×600mm開(kāi)孔，節(jié)點(diǎn)形式見(jiàn)圖6，細(xì)化網(wǎng)格模型見(jiàn)圖7。

圖6 原結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式

圖7 細(xì)網(wǎng)格模型

經(jīng)細(xì)化網(wǎng)格分析后發(fā)現(xiàn)，在開(kāi)孔圓弧區(qū)域（圖7中圓圈位置）存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，其值達(dá)到910N/mm2。

經(jīng)分析，此處開(kāi)孔圓弧部位呈高應(yīng)力的主要原因?yàn)椋涸搮^(qū)域是大剛度主要構(gòu)件與小剛度次要構(gòu)件連接過(guò)渡區(qū)域，開(kāi)孔后使得過(guò)渡區(qū)域面內(nèi)剛度降低，裝貨工況下，內(nèi)底板受貨物壓力向下變形而外底板受波浪壓力向上變形，開(kāi)孔區(qū)域面內(nèi)變形過(guò)大，引起高應(yīng)力集中。

采用軟化原結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)原結(jié)構(gòu)兩種方案，試圖改善開(kāi)孔區(qū)域和肘板趾部的應(yīng)力分布。但由于B型船的雙層底局部短縱桁僅向前/后各延伸了3m縱向距離，主要構(gòu)件向次要構(gòu)件過(guò)渡區(qū)域仍處于橫艙壁底凳剪應(yīng)力衰減范圍，數(shù)值計(jì)算顯示采用軟化原結(jié)構(gòu)方案對(duì)改善肘板趾部的應(yīng)力集中無(wú)效，而只能采取加強(qiáng)原結(jié)構(gòu)的方案：將開(kāi)孔向橫艙壁方向平移500mm，增設(shè)環(huán)形面板并增加局部板厚，加強(qiáng)連接處的肋板扶強(qiáng)材、縱骨及過(guò)渡肘板成為一體式，以此延長(zhǎng)過(guò)渡區(qū)域、加大肘板縱向跨距。經(jīng)加強(qiáng)后計(jì)算結(jié)果滿足衡準(zhǔn)要求。詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 3，修改后的節(jié)點(diǎn)形式見(jiàn)圖8。

表3 細(xì)化網(wǎng)格應(yīng)力結(jié)果

圖8 加強(qiáng)肋板扶強(qiáng)材及過(guò)渡肘板節(jié)點(diǎn)形式

2.2 槽型橫艙壁底凳與縱艙壁相交處節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

礦砂船中貨艙多采用槽型橫艙壁，并設(shè)有底凳，邊貨艙采用平面橫艙壁，邊艙位于底凳與縱艙壁相交處設(shè)有延伸過(guò)渡結(jié)構(gòu)，細(xì)化模型見(jiàn)圖9和圖10，結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖11。

經(jīng)計(jì)算，延伸過(guò)渡結(jié)構(gòu)的平臺(tái)上的R350mm圓弧處應(yīng)力達(dá)到 450N/mm2，其值超出許用應(yīng)力。經(jīng)分析其原因?yàn)椋浩脚_(tái)以上的過(guò)渡結(jié)構(gòu)為扶強(qiáng)材，平臺(tái)以下的過(guò)渡結(jié)構(gòu)為T型材剖面的大肘板，裝貨工況下，位于底凳頂板以上的縱艙壁受到貨物壓力向邊艙變形，而平臺(tái)及平臺(tái)以下大肘板剛度較大，因此平臺(tái)以上R350mm圓弧處承受擠壓，變形過(guò)大。

圖9 槽型艙壁底凳與縱艙壁相交處艉面結(jié)構(gòu)

圖10 槽型艙壁底凳與縱艙壁相交處艏面結(jié)構(gòu)

圖11 槽型艙壁底凳與縱艙壁相交處邊艙內(nèi)延伸過(guò)渡結(jié)構(gòu)

針對(duì)R350mm圓弧處進(jìn)行加強(qiáng)，將肘板臂長(zhǎng)由900mm延長(zhǎng)至1330mm，肘板半徑由350mm增加到600mm，并且由原先的普通鋼提高至AH36，加強(qiáng)后應(yīng)力結(jié)果為405N/mm2，滿足應(yīng)力衡準(zhǔn)。

2.3 平面橫艙壁水平桁與強(qiáng)框架橫撐連接處節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

礦砂船中邊貨艙水平桁與強(qiáng)框架橫撐連接處結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖12。

圖12 水平桁與縱艙壁縱骨連接處結(jié)構(gòu)形式

經(jīng)計(jì)算，水平桁與強(qiáng)框架橫撐連接處16mm×1280mm×1280mm/R1100mm 肘板自由邊應(yīng)力結(jié)果達(dá)到 403N/mm2，超出許用應(yīng)力。因該肘板過(guò)渡的水平桁為AH36高強(qiáng)度鋼，故采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)概念對(duì)肘板進(jìn)行加強(qiáng)，而將此肘板也加強(qiáng)為高強(qiáng)度鋼后，其結(jié)果滿足應(yīng)力衡準(zhǔn)。

3 結(jié) 論

從上述分析可以看到，細(xì)化網(wǎng)格分析能夠清晰反映結(jié)構(gòu)在較小區(qū)域內(nèi)的的應(yīng)力梯度，為VLCO結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)提供了有力且有效的技術(shù)手段。

針對(duì)上述三處VLCO典型節(jié)點(diǎn)的細(xì)化分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)局部短縱桁宜向橫艙壁前后各延伸一個(gè)強(qiáng)框架間距，局部短縱桁與內(nèi)、外縱骨過(guò)渡區(qū)域的肘板宜與肋板扶強(qiáng)材和縱骨采用一體過(guò)渡方式，以使應(yīng)力釋放得更加充分。

(2)對(duì)于槽型橫艙壁底凳與縱艙壁相交處邊艙的延伸過(guò)渡結(jié)構(gòu)宜加大剛度，及加大圓弧半徑。(3)對(duì)于橫艙壁水平桁與縱骨連接處的肘板，宜采用與相鄰主要支撐構(gòu)件等強(qiáng)度的設(shè)計(jì)概念，應(yīng)適當(dāng)提高鋼級(jí)，采用高強(qiáng)度鋼。