椭圆形舱口角隅的疲劳强度研究

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(1杭州市船舶检验局，杭州310014 2浙江工业大学建筑工程学院，杭州 310014)

大型散货船舶的舱口角隅处是应力集中的区域。在服役期间，该区域长期处于高低应力交变状态，因此疲劳问题尤为突出[1-2]。《钢质海船入级规范》[3]中对舱口角隅的形状和厚度有明确的规定，然而这个规定是有一定的范围的，如何从疲劳的角度确定最优的椭圆形状和厚度是设计和审图部门都关心的问题。

应用椭圆形舱口角隅网格自动划分系统，创建多个不同尺寸、不同板厚的椭圆形角隅的有限元模型，并对其进行热点应力分析，得出椭圆形舱口角隅的尺寸与板厚对疲劳寿命的影响规律。

1 椭圆形舱口角隅的相关规定

《钢质海船入级规范》中指出当强力甲板上机舱、货舱开口的角隅是椭圆形时, 角隅处的甲板不需加厚板,但需要满足以下几点。

1)角隅短边长度取1/20左右的舱口宽度，并且不小于300 mm，也不必大于600 mm。

2)角隅长边长度不得小于1/10的舱口宽度，也就是角隅长边长度是短边长度的两倍以上。

《船体结构疲劳强度评估指南》[4]规定进行甲板疲劳强度应力直接计算时，只考虑总体波浪弯矩的作用，包含以下计算工况。

① 满载或压载下总体垂向波浪弯矩范围。

② 满载或压载下总体水平波浪弯矩范围。

2 椭圆形舱口角隅的网格自动划分

采用椭圆形舱口角隅网格的自动划分新方法，编写针对椭圆形舱口角隅的细化工具[5]。采用该工具，针对某一散货船的某一角隅，创建了不同尺寸、不同板厚的有限元模型，并对其进行热点应力疲劳分析计算，研究角隅尺寸对疲劳强度的影响。

3 椭圆形舱口角隅疲劳分析

3.1 角隅疲劳分析数据统计

针对某33 200DWT散货船进行热点应力疲劳分析计算，该船除顶边舱区域、外底板、内底板采用 AH36以外，其余皆采用船用低碳钢。船舶主尺度如下。

船长L170.000 m

船宽B26.000 m

型深D14.800 m

舱口宽度b14.944 m

不同尺寸角隅热点应力分析结果见表1。不同板厚角隅热点应力分析结果见表2。角隅细化模型及应力分布见图1～2。

角隅处的设计应力幅值比较高，但都小于[SL](434 N/mm2)，故满足设计要求。

3.2 椭圆形角隅热点应力规律分析

根据不同尺寸、板厚角隅热点应力分析结果绘制的曲线见图3～6，纵坐标分别取满载和压载下的应力幅值SL，横坐标分别为板厚和长边比短边的值。

表1 不同尺寸角隅热点应力分析结果

表2 不同板厚角隅热点应力分析结果

图1 舱口角隅及其相邻结构的细化模型

图2 舱口角隅的应力分布示意

根据曲线图，对于椭圆形舱口角隅可以得出：

1)角隅短边尺寸越长，设计应力幅越小。因此，规范对角隅短边长度的相关规定是比较合理的。

2)当角隅长边长度等于2倍的短边长度时，设计应力幅最小。当长边长度小于2倍短边长度时，设计应力幅增加的速度较快。而当长边大于2倍短边时，设计应力幅增加的速度较缓。因此，规范对角隅长边长度的相关规定也是合理的。

3)随着角隅板厚的增加，设计应力幅逐渐减小，但是，当板厚增加到一定程度时，设计应力幅下降就相当缓慢。

图3 满载时，角隅设计应力幅随尺寸的变化

图4 压载时，角隅设计应力幅随尺寸的变化

图5 满载时，角隅设计应力幅随板厚的变化

图6 压载时，角隅设计应力幅随板厚的变化

4 结论

应用MSC.Patran有限元软件对多个不同尺寸、不同板厚的椭圆形角隅进行了热点应力疲劳分析。计算结果表明，对于椭圆形舱口角隅，就疲劳强度而言，现行《钢质海船入级规范》是合理的；角隅短边长度尽量取大些，长边长度取为短边长度的2倍左右角隅热点应力最小；通过增加板厚减小热点应力仅在一定的范围内是有效的。

[1] 王东海，杜忠仁，胡安康，等.1700TEU集装箱船甲板舱口角隅疲劳强度评估[J].中国造船，2001(2):63-68.

[2] 叶步永，谢永和.不同工况对克令吊舱口角隅应力的影响[J].中国修船，2007(12):29-30.

[3] 中国船级社.钢质海船入级规范[M]．北京：人民交通出版社，2006．

[4] 中国船级社．船体结构疲劳强度指南[M]．北京：人民交通出版社，2007．

[5] 解添如,吴剑国,林 勇.椭圆舱口角隅有限元网格自动划分研究[J].船舶,2012(6):27-30

[6] 单威俊，伊金秀，李 锋，等.舱口角隅处网格划分方法研究[J].船海工程，2008(1):10-14.