基于 CSR的散货船结构屈服、屈曲与疲劳分析

吕玮庆,于 涛,钱嘉佳

(南京市地方海事局,江苏南京 210036)

0 引言

近 10余年来频繁发生的海难事故和国际海事组织日益严格的环保要求是催生共同规范的主要因素。从技术发展来讲,共同规范的出台也是人类造船理念和对海洋环境认识不断深化、更加理智的结果。过去的几十年中,由于各船级社制定各自规范,船东选择满足其需要的船级。从经济利益上考虑,船东要求船舶尽可能轻,以便装载更多的货物;船厂也要求船体尽量轻,以便节省材料获取赢利。这可能导致一些船舶强度达不到使用寿命要求,而这些不够坚实的船舶在营运 10年后逐渐会显现出危险性。IACS(国际船级社协会)共同规范是IMO(国际海事组织)目标型船舶标准概念逐步应用的结果,其目标是船舶设计和建造的结构要立足于维护船舶营运期间安全。也就是说保证船舶在整个生命周期内(25年内)都保持一个基本的安全水平,以避免船舶营运期间船东维护不足或缺乏维护而导致船舶安全水平下降。本文就是在这一大背景下,主要研究IACS于2006年推出的共同规范——CSR规范中关于船体结构强度直接强度分析和结构细部疲劳分析的内容。

1 船舶概况

31 000DWT散货船为双底单壳船,全船为钢质全焊接结构,采用普通钢、AH 32高强度钢、AH36高强度钢。本船货舱区域为双底双舷侧结构,设有顶边舱和底边舱,顶边舱与底边舱不连通;双层底高1 480mm,实肋板间距2 250mm;并设有 6根双层底纵桁:2根距中1 000mm旁纵桁、2根距中5 250mm旁纵桁、2根距中9 750mm旁纵桁;横舱壁采用槽型舱壁结构。31 000DWT散货船总布置图见图1。

该散货船主要量度为:

2 屈服强度分析

2.1 评估依据

根据IACS《散货船共同结构规范》2006版(以下简称“共同规范”)要求,本规范适用于船长 L为90m或以上,在全球不受限制航行的单舷侧和双舷侧散货船的船体结构,其货舱区域主要构件(纵向、横向)应用直接计算方法进行强度计算,建立三维有限元模型并使用CCS开发的CSR散货船加载和边界约束程序,计算载荷计及舱内货物、舷外水载荷以及断面弯矩。

2.2 计算工况

根据规范,该船有满载(重货)LC-1、满载(轻货)LC-2、非满装(重、轻货)LC-3、正常压载LC-4四个工况,考虑横浪。

2.3 许用应力

本船采用普通钢(Mild)和部分高强度钢(AH36),其中材料换算系数K分别为1.0、0.72。考查应力为有限元分析中得到的平面单元中心的VonMise相当应力。

图1 31000DWT散货船总布置图

2.4 屈服分析结果

最大应力水平汇总表见表 1。

表1 最大应力水平汇总

3 屈曲强度分析

3.1 船舶屈曲分析概述

船舶的发展趋势是向大型化、轻型化、高速化和多样化发展,船体总强度问题愈益受到重视。长期以来,船体总纵强度采用经典的线弹性理论。但近年来随着技术和理论的提高,极限设计方法正逐步被引入船舶设计领域,这使得船体屈曲问题变得越来越突出。

船体主要是由具有纵向加强筋(纵骨)和横向骨材(横梁)的板架结构组成。当船舶在海上航行时,一般情况下,甲板及双层底距离船中横剖面的中和轴位置最远,因此在中垂状态下,甲板承受较大的总纵弯曲面内压力,因而可能丧失其稳定性;而在中拱状态下,船底也会承受较大的总纵弯曲面内压力,同样可能丧失其稳定性。所以最先可能出现的损坏便是上甲板或船底结构的受压屈曲破坏。虽然局部板格单元的失效不会明显地削弱整个船体的总纵强度,但是随着总纵弯矩的增大,失效的板格单元会不断增多,最终导致船体发生整体破坏。屈曲强度和极限强度即为计算船体结构抵抗外载荷的最大承载能力。它们对于船体结构的安全性、经济性和足够的强度裕度等方面具有十分重要的意义。

3.2 屈曲分析结果

构件衡准因子汇总表见表 2。

表2 构件衡准因子汇总

4 疲劳强度分析

4.1 疲劳分析概述

根据CSR规范,疲劳强度计算分为两种方法,即名义应力法和热点应力法。它们根据结构不同特点应用于船中和首尾区域的两类构件。名义应力法主要应用于纵向构件,即纵向扶强材与横舱壁以及强肋骨之间的端部节点,这里强肋骨是指位于液货舱范围内的舱底、内底、舷侧、内壳、纵舱壁、强力甲板的强肋骨;热点应力法应用于位于船中的内底与边舱斜板相交的折角部位。同以往船体结构疲劳评估相同,这两种方法都使用了材料疲劳特性曲线S-N曲线法,即它们是以P-Miner线性累积损伤准则和基于一定应力范围类型的 SN曲线为基础的。

4.2 热点部位的确定

在针对本船三舱段有限元模型的基础上,选取对疲劳强度较为敏感的部位进行局部细化,采用嵌入式细化模型对这些应力水平较高的部位进行热点应力的直接计算:

①货舱口角隅;

②底边舱与内底板,横向强框架连接处。

4.3 疲劳损伤计算

根据规范,疲劳损伤计算按照以下步骤进行:热点应力→等效切口应力→对等效切口应力进行修正→累计疲劳损伤。

4.4 累计疲劳损伤

用合成等效应力计算的累积疲劳损伤 D应符合下列衡准:

D=∑jDj≤1.0

式中:Dj为各装载工况“j”的基本疲劳损伤。

4.5 疲劳分析结果

使用CCS船级社开发的CCS-TOOLS程序对各热点的疲劳损伤进行计算。疲劳损伤计算结果见汇总表 3。表 3中,由于程序中累计损伤值只给出小数点后四位,所以角隅上表面D为0。

5 CSR规范和CCS指南异同点

相同点:CSR规范和CCS指南在进行结构强度直接计算分析时,都是采用三维舱段有限元模型来进行分析;CSR规范和CCS指南有限元模型单元的划分主要依据纵骨或加强筋来布置,即所谓的细网格模型,结构单元以板单元和梁单元居多,采用少部分杆单元。

表3 疲劳损伤计算结果汇总表

不同点:首先,CSR规范采用的是三舱段模型, CCS指南采用的是两舱段模型。三舱段可以更好地消除边界条件对计算结果的影响。其次,按照 CSR规范和CCS指南进行舱段有限元分析时,其边界条件的处理、载荷的计算原理、计算工况的选择及许用应力的值都有所不同。比如 CSR规范在校核船体各个构件的强度时,统一采用了 235/k(k为材料系数)这个值,而CCS指南的强度标准,对船体各构件来说,则不尽相同。最后,CSR规范考虑的工况比一般规范更多、更细;模型更合理、有效,结果也更准确、全面。

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