客滚船横向半舱壁结构强度的分析

叶旭,张敏健,徐蓉

(上海船舶研究设计院,上海 201203)

对于拥有多层长上层建筑的客滚船而言,当船舶发生横摇时,由于受到不对称风浪载荷和惯性的影响,将产生较大的横向弯矩,引起船舶横向挠曲变形。横向挠曲强度主要靠横向强框架结构来保证,在上层建筑舷侧强肋骨与甲板强横梁连接处的区域将会出现高应力区。在船宽方向不封闭,大部分为开口设置,只有在靠近舷侧区域留有横向半舱壁结构。横向半舱壁结构不仅承受甲板上货物传递的垂向载荷,还在抵抗横摇变形上大有作用,并起到降低横向肋骨尺寸的作用。为了提高横向强框结构的抗弯和抗剪能力,客滚船上该区域往往设置横向半舱壁结构,以解决横向挠曲变形问题。目前,国内外关于客滚船横向半舱壁结构的研究有在客滚船结构设计中,上层建筑围壁采用压筋板的方式来减重,但对其未进行强度分析[1];对不同截面形状铝合金加筋板的极限强度进行计算比较,得出了可用于替代原有钢质加筋板的设计方案[2];对某大型客滚船舱段进行屈曲强度和热点疲劳直接计算[3],但没有分析横向舱壁结构。考虑以某一大型客滚船的横向半舱壁结构形式和布置为例,进行屈服强度和屈曲强度校核,根据计算结果重点分析半舱壁结构强度。

1 客滚船的横向半舱壁结构

在客滚船上层建筑设置这类横向半舱壁结构后,会影响到总布置和结构设计。在总布置方面,横向半舱壁结构将对各处所的舱室布置和功能布局带来影响。比如,在原本宽敞的旅客餐厅内增加了多个局部隔断,视觉上压缩了餐厅的空间,这时需要通过家具布置、装饰设计等方面进行弥补。在结构设计方面,横向半舱壁结构和甲板强横梁之间由于刚度差别较大,在和横梁连接区域会形成应力集中,另外横向半舱壁和下层甲板连接的区域也会存在类似问题,这些都是设计中需要额外考虑的地方。

出于减少空船重量,降低空船重心位置的目的,在保证结构强度的前提下,客滚船的上层建筑内部除主竖区舱壁以外应尽可能少用带扶强材的钢围壁[4],由于舱室划分或其他需要而设置的内部舱壁一般采用轻薄的压筋型结构舱壁,见图1。

图1 横向半舱壁(压筋型结构)

但采用压筋型结构舱壁作为客滚船的横向半舱壁往往是把双刃剑,虽然可以明显减少重量、节省焊接工作量,但在结构强度上却有不可忽视的风险。一方面,压筋型横向半舱壁的设计目的是为了功能和布置的需要,板厚较薄,压筋的尺寸也较小,可以说是往柔性方向来考虑的,传统意义上的认识认为这种压筋型结构是不承受应力的;另外一方面,常规设置横向半舱壁的主要目的是为了抵抗船体垂向和横向变形,需要较大的刚度来支撑。这两方面看似比较矛盾的设计需求在客滚船上集中在一起,因此有必要对客滚船的横向半舱壁结构采用合适的校核方法和合理的设计衡准加以分析。

2 一型客滚船的横向半舱壁结构形式和布置

2.1 主要参数和布置特点

一型客滚船入级CCS,主要参数如下。

总长～212.00 m; 垂线间长197.00 m;

船宽28.00 m; 型深9.20 m;

满载吃水/m6.50 m。

上层建筑各层甲板间高度如下。

7～8甲板2.75 m; 8～9甲板3.00 m;

9～10甲板2.75 m; 10～11甲板2.75 m。

该客滚船的上层建筑位于7甲板以上,上层建筑的首部区域主要用以布置旅客住舱、船员处所和驾驶室等,且该区域位于距艏垂线0.35L范围内。在未设置横向半舱壁结构时,该客滚船8～9甲板首部区域的旅客住舱、走廊和支柱(图中圆圈内)布置见图2。

图2 客滚船8～9甲板首部区域的旅客住舱、走廊和支柱布置

2.2 横向半舱壁的布置和结构形式

如图3所示,取消该客滚船8～9甲板首部区域的舷侧支柱,并考虑合适的横向半舱壁结构跨距后,在舷侧房间的分隔处(图中椭圆内)增加横向半舱壁结构,每舷4道,间距为3或4个强框架,内侧未设置横向半舱壁处仍保留支柱结构。

图3 客滚船8～9甲板首部的横向半舱壁结构布置

如图4所示,该客滚船上层建筑首部区域的横向半舱壁结构采用厚度5 mm的压筋板,并在各层横向半舱壁的端部自由边贴扁钢,有利于提高船舶横向强框结构的抗弯和抗剪能力,以解决横向挠曲变形问题。

图4 7～10甲板上首部区域的横向半舱壁结构形式

3 横向半舱壁结构强度计算

一般认为上层建筑区域的压筋型半舱壁在结构中承受很小的压力,这在小型客滚船设计中可能影响不大,但随着船长和船宽的增加,上层建筑层数的增多、横向半舱壁结构不可避免地将承受船体梁变形带来的附加应力,同时甲板载荷也会通过横向强框传递到半舱壁结构中,因此对横向半舱壁结构的强度分析是有必要的。

3.1 屈服强度计算方法和结果分析

3.1.1 计算模型

本船横向半舱壁结构布置在上层建筑的首尾区域,又以首部区域居多,客滚船通常采用的舱段有限元分析方法由于受模型长度和边界的影响,不能合理得到出半舱壁结构的应力分布,所以采用全船有限元建模,有限元计算模型覆盖整个船长、船宽和型深范围内的主船体、上层建筑等结构,对一些次要构件进行简化处理[6]。

采用基于纵骨间距的网格来建模,主要支撑构件(包括实肋板、强横梁、纵桁、强肋骨、支柱等结构)的腹部用板单元来模拟,面板和骨材等采用梁单元模拟,横向半舱壁结构(压筋型)模型和网格化分见图5。

图5 典型区域横向半舱壁结构(方框内)及其网格划分

3.1.2 计算工况

1)局部载荷工况。按照中国船级社《钢质海船入级规范》[7]对客滚船直接计算的要求,一般需要校核车辆甲板骨架的强横梁和纵桁的局部强度以及结构的横向强度。参照该规范的要求,采用均布载荷,分析横向半舱壁结构的强度,对车辆甲板板架的强度校核不作过多阐述,主要校核正浮工况和横摇工况。

全船载荷按照CCS客滚船载荷的相关公式以场函数的方式进行施加,第9甲板正浮工况下垂向载荷分布见图6。

图6 第9甲板正浮工况垂向载荷分布

2)总纵载荷工况。由于客滚船设置了多层甲板,并且装载车辆的甲板往往贯通整个船长范围,一般总纵强度有较大富余,所以纵向结构强度也容易满足规范要求,以横向半舱壁结构为分析目标,但由于关注的区域位于距首垂线0.35L范围内,为了考虑总纵强度对半舱壁结构的影响,需要在有限元模型上施加总纵弯矩载荷。常规货船的有限元计算,一般调整货舱的某个位置达到弯矩目标值即可,施加方法较为简单,而对于客滚船来说,每分析一个位置就调整一次弯矩的做法不现实。故采用施加弯矩包络线的方法[8],通过将目标弯矩转换为集中载荷,纵向位置x处集中载荷Fv计算如下。

(1)

x1=x-saft/2

(2)

x2=x+sfwd/2

(3)

Fv施加在舷侧外板,强框和主甲板三者相交的位置,为了验证施加集中力后船体弯矩是否和目标值一致,将Fv沿长度方向积分得到的弯矩和目标弯矩对比见图7。两者误差很小,认为总纵弯矩的调整达到了目标值。

图7 Fv积分弯矩值和目标弯矩对比

3.1.3 计算结果

1)局部载荷。Fr216处横向半舱壁结构受均布载荷作用后,正浮和左横摇工况下的应力结果见图8。

图8 Fr216横向半舱壁结构的应力结果

2)总纵载荷。施加船体梁的总纵弯矩(中拱)后,总纵变形见图9,横向半舱壁结构的应力结果见图10。

图9 总纵强度下的中拱变形

图10 横向半舱壁结构在中拱变形下的应力

3.1.4 结果分析

根据CCS规范,客滚船直接计算的许用相当应力为180/K,K为材料系数,对于普通钢许用相当应力为180 MPa,对于材质为36的高强度钢许用相当应力为250 MPa。图8中的计算结果均满足屈服强度要求。在局部载荷工况下,横向半舱壁结构部分区域的屈服应力达到100 MPa以上,而在半舱壁结构和甲板横梁连接处有应力集中产生,并且最下方半舱壁结构端部区域的屈服应力较大。计算结果证明压筋型半舱壁结构不承受压应力的传统认知是不对的,横向半舱壁结构的强度问题需要引起关注。

由图10可见,在总纵载荷工况下,横向半舱壁结构绝大部分区域应力不大,这与传统认识一致,即总纵载荷对半舱壁结构的强度影响不大。但结果中的半舱壁结构也出现了应力集中,且高应力出现的范围基本与局部载荷工况一致,大小约为局部工况的三分之一,所以不能忽略总纵载荷对横向半舱壁结构的影响。

综合考虑局部载荷工况和总纵载荷工况,应力集中的区域均发生在横向半舱壁结构和甲板横梁连接区域,为了消除应力集中,提高结构安全性,可对此区域进行局部加强。考虑到客滚船上净空间高度的限制和人员通道的便利性,一般不采用在横梁端部增设肘板的方式,通常采取增加横舱壁腹板厚度的方式来改善应力;最下方横向半舱壁结构的底部端部区域则可以采用插厚板、局部放大趾端来提高船舶横向强框结构的抗弯和抗剪能力,趾端放大的方案应不能影响该处所原有的功能和布局。

3.2 屈曲强度的计算方法和结果分析

3.2.1 计算方法

对于压筋型横向半舱壁结构,由于其板厚较薄,且形状不规则,其屈曲强度难以通过常规的规范公式进行校核,目前各船级社也未形成统一的有关客滚船屈曲强度的计算规范和方法,本文采用挪威船级社DNV PULS(Panel Ultimate Limit State)软件对横向半舱壁结构进行等效模拟(见图11),以评估其抗屈曲能力。

图11 横向半舱壁结构的屈曲校核等效模拟

3.2.2 计算结果

由图12所示的应力分布来看,Y方向(垂直于压筋方向)应力普遍不大,Z方向(沿着压筋方向)应力占主导。为了简化计算,只考虑Z向应力后的计算结果见图13。

图12 横向半舱壁结构的单向应力(负值表示受压)

图13 横向半舱壁结构的屈曲计算结果

对于厚度为5 mm的压筋型舱壁结构,在垂向压应力(沿着压筋方向)为30 MPa左右时就产失稳现象,这说明压筋板架的临界屈曲能力太低,所以屈曲强度需要尤为关注。

3.2.3 结果分析

由前面的屈服强度计算结果可知,在横向半舱壁结构的某些区域存有大于30 MPa的压应力,这些区域极有可能屈曲能力不足导致的变形,在某型客滚船上发生过类似的横向舱壁变形,初步判定为压筋型横向半舱壁结构的屈曲能力不足。不过PULS的屈曲计算模型较为简单,对压筋型横舱壁的端部边界条件很难模拟准确,计算精确性还有待提高,但是计算结果反映的问题真实存在。为了准确得到压筋型横向半舱壁结构的抗屈曲能力需要采用更为精确的非线性软件进行计算,后续应进行更深入的研究。

为了提高整个压筋板的抗屈曲能力,利用PULS软件对压筋板的压筋间距s及板厚t作一个简单的灵敏度分析,板架的屈曲利用因子随s以及t的变化趋势见图14。

图14 屈曲利用因子随压筋间距和板厚的变化趋势

由图14可见,为了提高横向半舱壁结构的屈曲利用因子,可将板上的压筋间距s减小,或者增加压筋板的板厚t。从变化趋势上来看,板厚增加对屈曲利用因子的影响要小于压筋间距改变带来的影响,但板厚增加能够降低整个板架的压应力,屈曲利用因子也会相应降低,因此这两者需要综合考虑。

一般情况下,客滚船上层建筑为了设置尽量多的居住舱室、娱乐处所和公共空间等,压筋的尺寸、位置和数量都有较为严格的限制。如果船长方向空间足够,可以增加压筋的尺寸,进而提高压筋板整体的抗屈曲能力。在以上措施比较难以满足的情况下,可以在横向半舱壁结构靠近船中的一侧(另外一侧为舷侧外板)设置支柱,将半舱壁结构承受的部分应力转为通过支柱来承担,同时支柱可增强板架边界的约束能力,对整个半舱壁结构的抗屈曲能力也有较大贡献。但若取消半舱壁结构而仅设置支柱,则会导致支柱端部应力集中问题更为凸显,所以横向半舱壁结构作为客滚船横向抗挠曲强度的重要组成部分不可或缺,如何合理地协调横向半舱壁结构和端部支柱的设计也是今后的研究内容。

4 结论

大型客滚船上层建筑自身的横向挠曲强度及其引起的变形问题需加以重视,否则极易产生裂纹,影响船舶内部的美观、功能和安全性。上层建筑横向半舱壁结构承受局部载荷引起的应力,以往将压筋型横舱壁视为不承力结构的认识是有欠缺的,在半舱壁结构端部区域需要局部增厚。

1)总纵弯矩对向半舱壁结构的影响较小,但局部区域仍会有不可忽视的应力集中,因此校核横向半舱壁屈服强度时需要考虑总纵载荷的影响,在局部强度校核中留一部分余量。

2)压筋型横向半舱壁结构抗屈曲能力较差,在屈服强度满足规范要求的情况下,还需要考虑屈曲强度,某实船横向半舱壁的局部变形也反应了屈曲强度的重要性。

3)压筋的间距和板厚对压筋板的屈曲能力均有影响,减小压筋间隙能显著提高板架的屈曲能力。

大型客滚船的上层建筑尤其是横向半舱壁结构目前研究较少,常规舱段计算受边界的影响难以全面地反应出舱壁结构的应力水平,而采用全船建模的方式工作量则较大。因此,后续还需要进一步研究如何较快地评估横向半舱壁结构强度。另外,本文采用PULS计算压筋板的屈曲能力,不能很好地反映压筋形式以及舷侧边界效应对横向半舱壁结构强度的影响,其计算结果虽能够反映出压筋板的屈曲特征,但精确性有待进一步验证。