礦砂船貨艙NO.1艙口蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

陳家旺 韓 強(qiáng) 楊新利

（浙江省海鹽縣港航管理處 海鹽 314300）

0 引 言

艙口蓋作為船舶貨艙結(jié)構(gòu)上的重要組成部分，承受著波浪涌上甲板時(shí)的水頭壓力載荷，肩負(fù)密封艙口、保護(hù)貨物和支撐平臺(tái)的作用。近年來(lái)，因艙口蓋問(wèn)題造成船舶沉沒(méi)事故已有多起。1980年沉沒(méi)的“Derbyshire”是一個(gè)典型的例子。據(jù)船級(jí)社調(diào)查顯示，該事故的起因是遠(yuǎn)洋重載貨艙的艙蓋塌落，以致船首通風(fēng)隔艙氣孔碎裂，導(dǎo)致大量海水由破裂氣孔涌入。船級(jí)社指出，在極端惡劣天氣下，根據(jù)1966年國(guó)際載重線規(guī)則建造的艙蓋標(biāo)準(zhǔn)（特別是安裝在海峽型船只），在遠(yuǎn)洋重載的承受強(qiáng)度遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題便暴露出來(lái)。隨著造船技術(shù)和航運(yùn)市場(chǎng)的發(fā)展，越來(lái)越多的船舶超過(guò)了原有規(guī)范的規(guī)定，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題已被航運(yùn)界、造船界和船級(jí)社列為重要問(wèn)題［1］。

20世紀(jì)90年代后期，隨著船舶結(jié)構(gòu)的大型化和高強(qiáng)度鋼的普遍應(yīng)用，船舶結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定性問(wèn)題逐漸成為結(jié)構(gòu)的主要失效模式之一。近年來(lái)，由于結(jié)構(gòu)有限元直接計(jì)算技術(shù)的較快發(fā)展和趨于成熟，在直接計(jì)算中已開(kāi)始引入屈曲強(qiáng)度校核要求。同時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定理論和計(jì)算預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的進(jìn)一步發(fā)展，人們逐漸突破了線彈性范圍內(nèi)保守的結(jié)論，開(kāi)始引進(jìn)了板格“后屈曲特性”，以期充分挖掘材料潛力、發(fā)揮結(jié)構(gòu)的極限承載能力，也由此應(yīng)運(yùn)而生各種各樣的屈曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)［2］。

本文以320 000 DWT礦砂船NO.1艙口蓋為研究對(duì)象，使用MSC.Patran軟件建立艙口蓋結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)規(guī)范 IASC UR S21［3］施加相應(yīng)的載荷、邊界條件等。利用MSC.Nastran軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，最后對(duì)NO.1艙口蓋的屈服和屈曲強(qiáng)度進(jìn)行校核。

1 實(shí)船資料

船舶的主尺度如下：

總 長(zhǎng) 320.00 m

計(jì)算船長(zhǎng) 278.10 m

型 寬 58.00 m

型 深 30.40 m

結(jié)構(gòu)吃水 22.70 m

全船分7個(gè)貨艙，各艙的艙口蓋均為單一整塊蓋板，其中NO.2～NO.7艙的艙口蓋尺寸均為26 460 mm×17 600 mm，NO.1艙的艙口蓋尺寸為26 460 mm×12 320 mm。艙口蓋結(jié)構(gòu)采用單層橫骨架式，NO.1艙口蓋結(jié)構(gòu)如圖1～3所示，材料為普碳鋼和H36高強(qiáng)鋼兩種。

2 建立有限元模型

2.1 有限元模型

基于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析指南》［4］，選取有限元網(wǎng)格尺寸；設(shè)X軸為沿船長(zhǎng)方向、Y軸為沿船寬方向、Z軸向上為正方向、建立坐標(biāo)系，構(gòu)造NO.1艙口蓋的幾何模型和有限元結(jié)構(gòu)模型，如圖4所示。NO.1艙艙口蓋結(jié)構(gòu)有限元模型共有4 011個(gè)單元、2 374個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 材料定義

高強(qiáng)鋼AH36材料參數(shù)包括：

彈性模量 E=2.06×105N/mm2；

泊松比υ=0.3；

質(zhì)量密度 ρ=7.85×10-6kg/mm3。

根據(jù)圖紙得到NO.1艙口蓋不同構(gòu)件不同部位的板厚，用面單元建艙口蓋的蓋板和T型材的腹板，并用梁?jiǎn)卧ń卿摵蚑型材的面板。根據(jù)規(guī)范IACS UR S21 Rev.4 S21.6，對(duì)于單層艙口蓋的艙口蓋板及加強(qiáng)筋的腐蝕余量為ts=2.0 mm。在直接分析計(jì)算中，以減去腐蝕余量的凈厚度作為有限元模型的材料屬性。

2.3 邊界條件

艙口蓋是支承在船貨艙的艙口圍板上的，所以在艙口蓋周邊上宜采用簡(jiǎn)支邊界條件。由于載荷和艙口蓋的對(duì)稱性，在艙口蓋的對(duì)稱面上采用固支邊界條件。

根據(jù)艙口蓋結(jié)構(gòu)與艙口圍板之間的連接以及艙口蓋工作時(shí)的受力及變形特征，將各艙邊界條件簡(jiǎn)化如下：約束T26與T26′腹板下緣Z方向的線位移；約束L3與L3′腹板下緣Z方向的線位移約束；約束T26與T26′腹板跨中下緣的Y方向線位移；約束L3與L3′腹板跨中下緣的X方向線位移，艙口蓋邊界條件如圖5所示。

2.4 設(shè)計(jì)載荷

根據(jù)IACS UR S21 Rev.4 S21.2規(guī)定艙口蓋的設(shè)計(jì)壓力載荷根據(jù)以下公式計(jì)算：

式中：pFP為艏垂線位置處的壓力；

pFP=49.1+（L-100）α， “B”型干舷船 α=0.726。

可減小干舷船α=0.356，該船取α=0.356。

x為干舷甲板船長(zhǎng)首端到艙口蓋中部長(zhǎng)度，m。

L為干舷甲板長(zhǎng)，m，但不大于340 m。

由上述可計(jì)算出NO.1艙口蓋的設(shè)計(jì)壓力載荷，即p=83.35 kN/m2，滿足IACS UR S21 Rev.4 S21.2規(guī)定的設(shè)計(jì)要求。

3 艙口蓋結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度分析

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形衡準(zhǔn)

根據(jù)IACS UR S21 Rev.4 S21.3.1規(guī)定艙口蓋結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力（normal stress）、剪切應(yīng)力（shear stress）不超過(guò)材料的許用值；艙口蓋板架主要支撐構(gòu)件的垂向位移不應(yīng)超過(guò)0.005 6l（l為主要支撐構(gòu)件的最大間距）許用應(yīng)力與變形值見(jiàn)表1與表2。

表1 材料許用應(yīng)力值

表2 材料許用變形值

3.2 屈服強(qiáng)度校核

圖6為NO.1艙口蓋應(yīng)力圖，下頁(yè)中的圖7為艙口蓋變形圖，表3為艙口蓋最大應(yīng)力與變形（絕對(duì)值）。結(jié)果表明艙口蓋蓋板的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

表3 NO.1艙口蓋最大應(yīng)力與變形（絕對(duì)值）

4 艙口蓋結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度分析

4.1 蓋板屈曲校核

根據(jù)S21.3.6.1中規(guī)定，蓋板臨界應(yīng)力分為兩類：

（1）平行與普通橫梁方向的臨界應(yīng)力σC1（Y方向）；

（2）垂直與普通橫梁方向的臨界應(yīng)力σC2（X方向）。

校核標(biāo)準(zhǔn)：σparallel≤0.8σC1，且 σperpendicular≤0.8σC2。

4.1.1 Y方向受壓時(shí)的屈曲計(jì)算

式中：σF為材料的屈服應(yīng)力；t

E為彈性模量；

t為艙口蓋蓋板的凈厚度；

s為普通橫梁的間距。

由于每一個(gè)艙口蓋的蓋板只有兩種厚度，因此，在校核計(jì)算時(shí)，分別在這兩種板厚的區(qū)域計(jì)算壓應(yīng)力最大的板格的屈曲，若滿足衡準(zhǔn)，則其他壓應(yīng)力小的區(qū)域也滿足，即蓋板的屈曲滿足規(guī)范要求。

圖8為NO.1艙口蓋蓋板Y方向的應(yīng)力云圖。A、B兩處分別為兩種板厚區(qū)域內(nèi)壓應(yīng)力最大的板格。NO.1艙口蓋蓋板Y方向屈曲計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可以看出，NO.1艙口蓋蓋板的Y方向屈曲強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。蓋板中部在受到船寬方向壓應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)裕度較小，安全系數(shù)為1.29。

4.1.2 X方向受壓時(shí)的屈曲計(jì)算

式中：σF為材料的屈服應(yīng)力；

表4 NO.1艙口蓋蓋板Y方向屈曲計(jì)算結(jié)果

E為彈性模量；

t為艙口蓋蓋板的凈厚度；

ss為板格的短邊長(zhǎng)度；

ls為板格的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度；

ψ為最小壓應(yīng)力與最大壓應(yīng)力之比，ψ=0.5；

c=1.25。

圖9為NO.1艙口蓋蓋板X方向的應(yīng)力云圖。C、D兩處分別為兩種板厚區(qū)域內(nèi)應(yīng)力最大的板格。NO.1艙口蓋蓋板X方向屈曲計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 NO.1艙口蓋蓋板X方向屈曲計(jì)算結(jié)果

從表5可以看出，NO.1艙口蓋蓋板的X方向屈曲強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，安全系數(shù)最小為1.37。

4.2 縱橫框架的屈曲校核

根據(jù)規(guī)范IACS UR S21 Rev.4中S21.3.6.3對(duì)NO.1艙口蓋縱橫框架進(jìn)行屈曲校核。

校核標(biāo)準(zhǔn)：τ≤0.8τc。

E為彈性模量；

tpr，n為構(gòu)件的凈厚度；

kt=5.35+4.0/（a/d）2；

a為板格的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度；

d為板格的短邊長(zhǎng)度。

4.2.1 縱桁屈曲校核

圖10為NO.1艙口蓋縱桁的剪切應(yīng)力云圖。L1、L2、L3三處分別表示它們所在縱桁需要校核屈曲強(qiáng)度的部位。NO.1艙口蓋縱桁屈曲校核結(jié)果如表6所示。

表6 NO.1艙口蓋縱桁屈曲強(qiáng)度理論值

從表6可以看出，NO.1艙口蓋縱桁的屈曲強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。安全系數(shù)最小為2.05，位于L1縱桁上T19～T26區(qū)域內(nèi)。

4.2.2 橫梁屈曲校核

圖11為NO.1艙口蓋橫梁的剪切應(yīng)力云圖。T0、T0′、T5、T5′、T12、T12′、T19、T19′、T26 九處分別表示它們所在橫梁需要校核屈曲強(qiáng)度的部位。NO.1艙口蓋橫梁屈曲校核結(jié)果如表7所示。

從表7可以看出，NO.1艙口蓋橫梁的屈曲強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。安全系數(shù)最小為1.43，位于T5橫梁上L1～L2區(qū)域內(nèi)；其次是T0橫梁上L1～L2區(qū)域內(nèi)，安全系數(shù)為1.69；其余橫梁的安全系數(shù)均在2.31以上。

表7 NO.1艙口蓋橫梁屈曲強(qiáng)度理論值

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)NO.1艙口蓋建立有限元模型，采用MSC.Nastran對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力與變形計(jì)算，最后根據(jù)規(guī)范IACS UR S21 Rev.4對(duì)艙口蓋各部位進(jìn)行屈服和屈曲校核。校核結(jié)果如下：

（1）NO.1艙的最大應(yīng)力水平小于規(guī)范許用應(yīng)力，NO.1艙的變形滿足規(guī)范對(duì)變形的要求，艙口蓋結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

（2）NO.1艙口蓋蓋板的屈曲強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。蓋板中部在受到船寬方向壓應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)裕度較小，安全系數(shù)為1.29。其余情況安全系數(shù)均在1.30以上。

（3）NO.1艙口蓋縱桁的屈曲強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。安全系數(shù)最小為2.05，位于L1縱桁上T19～T26區(qū)域內(nèi)。

（4）NO.1艙口蓋橫梁的屈曲強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。安全系數(shù)最小為1.43，位于T5橫梁上L1～L2區(qū)域內(nèi)；其次是T0橫梁上L1～L2區(qū)域內(nèi)，安全系數(shù)為1.69；其余橫梁的安全系數(shù)均在2.31以上。

［1］楊趙華，吳衛(wèi)國(guó)．基于共同規(guī)范的散貨船貨口蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［J］．交通科技，2008（2）：110-112.

［2］洪英，初艷玲．船體結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度評(píng)估方法的規(guī)范研究及應(yīng)用［J］．上海造船，2010（3）：4-10.

［3］IACS．IACS-UR S21［S］．1997.

［4］中國(guó)船級(jí)社．散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析指南［S］．2003.