基于疲劳强度的某救援船上建端部节点优化研究

汤卫民 徐志亭 曾文源

（1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 上海 200240；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

船舶结构

基于疲劳强度的某救援船上建端部节点优化研究

汤卫民1,2徐志亭2曾文源2

（1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 上海 200240；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

船舶长上建端部通常都是全船高应力集中点，在此部位采用高强度钢可以满足屈服强度要求，但很难满足疲劳寿命要求。文中针对某救援船长上建端部典型节点，结合疲劳强度谱分析直接计算方法，比较不同结构形式下的疲劳寿命，给出上建端部典型节点的优化建议。

救援船；上建端部；疲劳强度；节点优化

引 言

疲劳破坏是船舶与海洋工程结构物的主要破坏形式之一。对于大型和超大型船舶而言，疲劳问题更应引起重视。据统计，船长大于200m的中大型船舶，总损伤数的70%属于疲劳损伤［1］。在大型船舶中，长上建通常会参与船体梁的总纵弯曲，在上建端部，横剖面模数突然减小，容易造成应力集中，是全船需要重点设计的并键部位。目前针对这一问题，各大船级社规范均有相并规定，明确要求上建端部过渡处的外板或舷墙、甲板等部位要加厚，并尽可能在侧围壁终断的端部增加过渡肘板［2-4］。但是对于一些工程船舶，为适应工程作业的需要，上建侧围壁端部不允许设置过渡肘板，仅靠增加板厚或使用高强度钢才可能勉强满足船舶设计屈服强度要求，却往往很难满足疲劳强度设计要求。本文针对长上建端部容易产生应力集中的节点，一般是纵向构件端部，提出多种改进方案，并比较各个方案下的疲劳寿命，给出这类节点的优化建议。

1 本船初始方案

本船属于具有高而长上建的典型船舶，上建在船舯附近终止（如图1所示），整船横截面剖面的模数在上建端部突然减小，而且船舯区域正是船体梁总纵弯矩最大之处，造成上建端部与主甲板连接处存在明显的应力集中。本船上建宽度并未延伸到舷侧，上建端部侧围壁直接终止在1甲板上。为改善此处的应力集中，本船上建后端壁与外侧壁采用圆角连接（如图2所示）。图中位置1和位置2为本文进行优化的部位。

位置1处为进一步改善其应力集中，在1甲板上增加覆板（板厚14mm，DH36钢），位置1和位置2结构形式见图3和图4。

优化节点位置处结构板的初始板厚信息和疲劳寿命计算结果见下页表1。疲劳寿命计算采用有限元谱分析计算方法［5］获得。

位置1和位置2的典型工况应力云图见下页图5和图6。可见，位置1处的强扶强材根部有明显的应力集中，导致此处甲板板、甲板纵桁、后端壁板等构件疲劳寿命均不满足设计要求；位置2处虽针对性地增加了板厚，但应力集中非常明显，疲劳寿命并不满足设计要求，需要进一步优化。

表1 优化前节点处各结构板厚及疲劳寿命

2 优化结构形式设计

针对位置1，舱壁板厚已取到20mm，而非应力集中区域外侧壁的10mm。该厚度已经没有再加厚的的空间，只能更改结构形式。考虑到甲板上覆板的弹性作用，现将位置1处的舱壁扶强材由垂向扶强材改为水平扶强材，板厚改小（取原来的10mm）。节点模型如图7所示。

针对位置2，纵壁参与船体梁总纵强度，随整船拉伸变形，从而导致纵壁根部与甲板、横壁连接处应力过大，而且此处也不能在后端壁外再增加疲劳过渡肘板。为了使纵壁上的载荷扩散到连接部位的周边，在纵壁与后端壁连接处增加一半圆钢管（钢管尺寸为R350×16），使得载荷通过半圆钢管向外扩散，如下页图8所示。

3 优化方案疲劳寿命计算

现针对以上的优化方案，再次进行疲劳寿命计算，计算结果见表2。

位置1和位置2应力RAO曲线见图9～12。

位置1和位置2典型工况下的的应力云图见图13～14。

从应力云图中可以看出：位置1处不再有明显应力集中，应力沿圆弧逐渐扩散；位置2处应力集中情况改善，应力数值从60降至41，纵壁与半圆钢管连接处应力集中区域大概为300mm×300mm，纵壁加厚范围也只需500mm×500mm即可。由计算结果可以看出，相应各部位的疲劳寿命均有大幅提升，符合设计使用要求。

表2 优化后节点处各结构板厚及疲劳寿命

4 结 论

本文针对长上建端部不适合设置肘板，但仅靠加板厚又无法满足疲劳寿命的节点进行结构优化，提出以下建议：

（1）多层上建端部应尽可能不要在同一剖面处终止，阶梯状终止可缓解上建端部应力集中问题。

（2）上建端部应该尽可能设立具有良好过渡的结构。

（3）宽度不到船宽的上建端部，后端壁与侧壁应尽可能采用圆角连接。圆弧R应尽可能大，建议不小于纵骨间距。

（4）上建端部圆角连接处若采用甲板上加覆板的形式降低应力，则圆角连接处围壁上采用水平骨材布置更为有效。

（5）上建后端壁与长纵内围壁连接处容易产生应力集中，可参考本文采用增加半圆钢管的结构形式进行过渡。

（6）上建端部处甲板板及其下的骨材均应相应加强。

［1］ 林文平，宋大伟，徐超友. CSR散货船底边舱折角处结构疲劳设计［J］. 船舶，2013（1）： 49-54.

［2］ 中国船级社.钢质海船入级规范［S］. 2015.

［3］ DNV. Rules for Classification ofships［S］. 2014.

［4］ ABS. Rules for Building and Classingmarine Vessels［S］. 2016.

［5］ 冯国庆.船舶结构疲劳强度评估方法研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006：67-93.

On optimization of superstructure end nodes of rescue ship based on fatigue strength

TANG Wei-min1,2XU Zhi-ting2ZENG Wen-yuan2
(1.school of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering,shanghai Jiao tong University,shanghai 200240, China; 2.marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China)

The ends of long superstructure are usually the highs tress concentration points of the ship, where the high strength steel should be used to meet the requirement of the yield strength. However, it is difficult to meet the requirement of the fatigues trength. The fatigue lives of the typical nodes of the long super structure on a rescue ship with the different structure configuration are compared by using the direct calculation method for the fatigue strength spectral analysis.some suggestions are given for the optimization of the typical nodes at the super structure ends.

rescue ship; end of superstructure; fatigue strength; node optimization

U663.6

A

1001-9855（2017）05-0033-05

2016-12-27；

2017-02-15

汤卫民(1977- )，男，硕士，高级工程师。研究方向：船体结构设计。徐志亭(1985- )，男，工程师。研究方向：船体结构设计。曾文源(1980- )，男，高级工程师。研究方向：船体结构设计。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.033