共同结构规范下的散货船结构分析

2010-05-07韩天宇陈国建

船舶与海洋工程 2010年3期

关键词：散货船屈曲船体

韩天宇，陈国建

（法国船级社，上海 200031）

0 前言

散货船在海上交通运输中起着举足轻重的作用。但是散货船的海损事故一直不断并在 1990年代大幅上升。

统计表明，越来越多的海损事故是由船体结构破坏造成的。

国际船级社协会（IACS）决定提高对散货船船体结构的要求。各船级社在上世纪末相继对散货船船体结构制定了URS12（单壳散货船舷侧结构的要求）、URS17（散货船进水状态下的总强度要求）、URS18（散货船进水状态下货舱槽型舱壁的强度要求）、URS20（散货船进水状态下货舱许用装载量的要求）和URS25（散货船统一的设计装载工况及其对应的船级符号的要求）[1]。随后IACS又制定了散货船共同规范。该规范不仅包括了所有的URS的要求，而且也统一了各船级社对散货船船体结构的要求。推出散货船共同规范的目的是：

1)消除各船级社之间在船体结构尺寸上的竞争；

2)和国际海事组织IMO即将推出的新造船的GBS标准相接轨；

3)确保按照共同规范设计建造的船舶能在行业内被公认为是安全可靠的，并且满足所有已生效的规范的要求；

4)结合了各个船级社在散货船船体结构上的经验；

5)减少因同时满足各个船级社规范所产生的成本。

散货船共同规范适用于2006年4月1日以后签约建造的，船长在90m以上，且船体货舱区设计为单甲板，双底，有顶边舱和底边舱，舷侧为单壳或双壳，并主要用于装运散货的船舶。散货船共同规范包含了已生效的针对船体结构的国际法规的要求，还综合了散货船在使用过程中反馈的经验。

1 散货船共同规范的强度分析

1.1 总纵强度

共同规范要求对带有“BC-A”，“BC-B”船级符号的船舶进行完整工况、港口工况和进水状态下的总纵强度计算。应力标准是按照船体中剖面参与总强度的构件的净尺寸（扣一半的腐蚀）给出的。因此对于带有“BC-A”，“BC-B”船级符号的船舶，在设计初期需给出进水状态下的设计弯矩和剪力，以校核进水状态下的总纵强度。而且根据实船设计的经验，很多此类散货船的剖面模数都是由进水状态下的设计弯矩决定的。

完整工况和进水状态下船体梁总纵剪切强度校核对于货舱区舷侧结构为单壳的散货船是非常重要的。通常单壳散货船的舷侧外板在货舱横舱壁附近，为确保有足够的剪切强度需加厚很多，而且此加厚范围要足够大，厚度沿远离横舱壁的方向应逐步递减，以保证在厚度过度的位置仍有足够的剪切强度。

1.2 组合屈曲

组合屈曲是用于校核参与总纵强度的船体梁单元板格的屈曲强度，但它不同于有限元分析中的屈曲强度校核。按照共同规范的要求，需验证2种应力组合方式下的屈曲强度：

1)100%船体梁单元板格上的弯曲压应力和80%船体梁单元板格上的剪切应力；

2)80%船体梁单元板格上的弯曲压应力和100%船体梁单元板格上的剪切应力。

船体梁单元板格上的弯曲压应力和剪切应力是根据完整工况下的设计静水弯矩和剪力加上波浪弯矩和剪力计算得到的。组合屈曲的校核对许多散货船特别是舷侧为横骨架式的散货船是非常重要的。通常在中剖面的上部舷侧区域容易出现组合屈曲的问题。

1.3 卷筒钢板加强

共同规范对卷筒钢板加强给出了非常详尽的要求。按此要求，当单个卷筒钢板下的木质横撑数目少于5时，承受卷钢载荷的内底板板厚，内底纵骨的剖面模数和底边舱斜板板厚及其纵骨剖面模数通常需加大很多。当单个卷筒钢板下的木质横撑数目多于5时，老版本的规范要求按照内底板和底边舱斜板承受均布载荷进行计算。均布载荷的大小是根据卷钢的重量除以卷钢的直径和长度得到的。由于木质横撑数目多于5时的卷筒钢板加强比较容易满足而且加强不多，所以很多设计者都按照此方法进行设计。但2009年7月1日以后生效的新版本的共同规范对此处作出了修改，即当单个卷筒钢板下的木质横撑数目多于5时，内底板和底边舱斜板按照承受线载荷而不再是均布载荷进行计算。按此新要求内底板板厚，内底纵骨的剖面模数和底边舱斜板板厚及其纵骨剖面模数都将比老版本共同规范的要求加大很多。

2 基于规范的有限元直接计算

共同规范要求对于不小于 150m的散货船进行三维有限元直接强度分析[2]。规范中规定了3种有限元分析步骤，其中2种是屈曲和屈服分析，另1个是疲劳分析。现重点讨论屈曲和屈服分析。前2种分析分别是总强度分析和详细节点分析。总强度分析主要考虑在舱段中的主要支撑结构的总体强度表现，可以称为3舱段模型分析。详细节点分析主要通过局部细化的网格来分析出现高应力的节点，称作局部细网格分析。模型的范围，网格大小和单元属性都在共同规范中有详细的说明。

在共同规范中，定义了4种标准化的工况用于有限元计算，分别是“H”、“F”、“R”和“P”，它们之间相互独立。其中，“H”和“F”分别代表了迎浪和随浪状态，可以看作船体处于正浮状态，即静止状态或者具有纵荡，垂荡和纵摇运动。这表明船体遭遇的波浪所产生的海平面的相对运动（正和负）对称于船体两舷，且作用于船体的波浪诱导总体载荷为垂直波浪弯矩和垂直剪力。工况“R”和“P”对应于横斜浪的情况，即船体有横荡，横摇和艏摇运动。在这两个工况中，船体遭遇的波浪所产生的海平面的相对运动（正和负）于船体两舷不对称，作用于船体的波浪诱导总体载荷除垂直波浪弯矩和垂直剪力，还有水平波浪弯矩。

边界条件应用在3舱段模型的两端。两端截面上纵向连续构件的节点与中纵剖面上的中和轴处的独立点通过刚性连接单元链接。规范中将绕船长的自由度转动锁定，这表明绕船长方向上的自由扭转被限制。

详细节点的计算既可以通过在总体网格中嵌入局部细化网格来计算，也可以使用子模型的方法来实现。对于前1种方法，载荷和边界条件都可以直接根据规范得到。如果使用子模型方法，载荷由总体网格映射到子模型细网格，由总体网格得到的节点力或节点位移可以作为子模型的边界条件输入。

2.1 主要支撑构件的总体网格分析

主要支撑构件，由于其几何形状和舱内位置的不同，从而对不同的载况和工况的敏感程度不同。

轻货舱外底板最严重的屈曲通常出现在隔舱装载的正浮状态，见图 3。而重货舱的外底板屈曲通常产生在多港装载载况下，见图 2，即舱内和双层底舱为空，吃水为最大吃水的0.83。原因在于，轻舱外底板上承受的内外不平衡的压力在隔舱装载的情况下达到最大。重货舱在多港装载载况下的情况相同。

图1 隔舱装载载况下轻舱外底板屈曲模态

图2 多港装载载况下重舱外底板屈曲模态

对于舷侧来说，在舱内为空或者货物装载高度不高时，如果吃水较大或者外部水压头较高，不平衡压力就有可能达到最大，这通常出现在横斜浪状态。这个不平衡的压力可能在舱段中部的舷侧结构产生较高载荷。然而，靠近横舱壁的舷侧板的尺寸通常是由可产生较大剪力的装载情况决定的，例如正浮状态下的隔舱装载或者重压载。过大的剪力载荷会导致由于剪力屈曲或者屈服而引起的舷侧结构失效。

舱口间甲板的尺寸通常由横浪状态的工况决定，在此状态下船体梁水平横向位移较为显著。图3为横浪状态下某条船的甲板的典型变形图。方形的舱口趋向于变形为平行四边形，在有限元中有可能观察到此处的剪切屈曲。在重压载舱中，由于压载水产生的压力导致舱口间甲板变形，从而牵扯甲板纵桁引起变形，如图4所示。如果甲板纵桁没有得到足够的加强，那么就有可能产生高的应力水平和屈曲水平。

如果计算表明过高的屈服应力和屈曲水平，就应该采取相应的措施以加强结构。增加板材厚度是1种行之有效的方法。另外，增加中间加强筋可以用较小的重量代价消除屈曲。主要支撑构件可以在总体网格阶段进行分析。然而，由于总体网格的单元尺寸限制，某些高应力的结构细节，例如舷侧肋骨的下趾端，不能在总体网格中正确地表达。因此得到的应力水平不能够正确地反映实际结构的应力水平。这就需要进一步进行细网格详细分析。

图3 横浪下主甲板的变形模态

图4 重压载舱内甲板纵桁的变形模态

2.2 细网格详细分析

用细网格分析的目的是更加准确地分析结构细节的应力水平。在这些结构细节处，总体网格由于单元尺寸限制，不能正确反映结构几何形式，而且不够精细。在这些结构细节处，常常伴有应力集中现象。

1)舷侧肋骨的下趾端。舷侧肋骨的下趾端是全船上的一个重要节点。如果在设计过程中没有注意，会引起趾端应力集中过大和应力过高，进而损坏趾端或底边舱斜板。在重压载舱，最坏的载荷通常是在横斜浪下由压载水的侧向惯性水压头引起的。在重舱和轻舱，当舱内为空或者货物量装载较低时有可能会出现恶劣的载荷。推荐的加强措施包括增加趾端腹板局部板厚，改善结构形式，将面板厚度在结束处斜切成1:3等。图5是一个趾端的典型示意图和网格划分。

2)内底板与底墩立板连接处。尽管在总体网格中，这个节点的有限元模型可以与图纸的几何形式保持一致，应力也在可以接受的范围，但是关于这个节点在重压载舱中损坏的报告却时有发生。原因是由于总体网格的单元尺寸较大，而应力是通过整个单元评估得到，从而造成应力的陡然变化无法表现出来。图6是某船的此节点在同一工况下在总体网格和局部网格中的应力分布的对比。应力从粗网格（网格为筋间距大小）的220MPa到细网格（网格为200mm）的320MPa上升了近1.4倍，这表明要想研究此点的应力集中，必须使用足够精细的网格。此结构节点的几何形式难以改变，对此节点的加强则可以通过增加板厚和提高材料等级来实现。在此节点全焊透是必须的，并且高度推荐进行无损探伤。

图5 趾端的典型示意图和网格划分

图6 此节点在同一工况下在总体网格和局部网格中的应力分布的对比

3)舱口角隅。舱口角隅应引起特别注意。舱口角隅的损坏有可能引起灾难性的后果。过高的应力集中通常是主要原因。散货船不可避免的具有1个巨大的舱口开口，以进行货物装卸。这样的长方形的角隅对于扭曲非常敏感，尤其是横斜浪的状态，见图 3。对舱口角隅可以通过嵌入高等级的厚板或者改善角隅几何形式来进行加强。嵌入板应跨过角隅弯弧的长边和短边，与相邻甲板的对接焊处应通过打磨进行光顺过渡。如图 7所示。