老龄船体强度校核中载荷及测厚数据的处理方法

陈　武，张岳林，苏里阳

(1.海军驻温州地区军事代表室，浙江 舟山 316000；2.海军试验基地第310所，河北 秦皇岛 066000；

3.海军91550部队，山东 烟台 265700)



老龄船体强度校核中载荷及测厚数据的处理方法

陈武1，张岳林2，苏里阳3

(1.海军驻温州地区军事代表室，浙江 舟山 316000；2.海军试验基地第310所，河北 秦皇岛 066000；

3.海军91550部队，山东 烟台 265700)

摘要：为了得到老龄船体剩余强度计算方法，对老龄船体载荷的变化、施加方法及测厚数据的使用方法进行了研究。研究表明，在使用规范计算法计算总纵弯曲应力的过程中，根据新船的剪力弯矩计算书计算老龄船体的受力是偏于安全的，使用平均减薄数据比使用最大减薄数据计算的应力值更接近仿真结果。该研究能提高老龄船体强度计算的准确性。

关键词：老龄船体；强度校核；载荷；测厚数据

0引言

随着海军现代化建设的发展，一批新型战舰加入海军序列，但与此同时仍有大量老龄舰艇正在服役。随着服役时间的增加，船艇由于腐蚀、疲劳损伤等作用，其抵抗外力所致破坏性变形的能力也随之下降，船体强度是否符合规范要求直接决定了舰艇能否继续服役。虽然船体结构设计是按照有关规范严格进行的，但对于老龄舰艇，如何评估其可靠性尚未形成规范，学者们纷纷对此进行了研究，如戴仰山等[1]对极限弯矩定义、极限强度条件以及砰击振动弯矩计算等问题进行了讨论。本文在这些研究的基础上，对老龄船体强度校核中载荷、测厚数据的处理方法进行了研究。

1载荷的处理

船体梁各横剖面的中拱波浪弯矩MW(+)和中垂波浪弯矩MW(-)应分别按式(1)、式(2)计算：

MW(+)=190×10-3MCL2BCb

(1)

MW(-)=-110×10-3MCL2B(Cb+0.7)

(2)

式中：L为设计水线长，m；B为船宽，m；MW(+)、MW(-)分别为中拱波浪弯矩和中垂波浪弯矩，kN·m；M为弯矩分布系数，如图1所示，其中，f为船长分布系数，x为被校核与舯部的距离；Cb为方形系数，Cb≥0.60；C为系数，按下列各式计算：

C=0.041 2L+4，当L<90 m时；

C=10.75，当300 m≤L≤350 m时；

图1　弯矩分布系数图

对于老龄船体，由于腐蚀等因素影响，船体物理、几何属性发生以下两方面变化[2]：

(1)由于腐蚀作用，船体重量减轻，中拱、中垂弯矩较腐蚀之前有所减小。

(2)由于中拱、中垂弯矩的作用，船体沿船长方向可能会产生一定程度的变形，这种变形实际造成船长水平方向的减小，所以考虑变形作用，老龄船体中拱、中垂弯矩较新船有所减小。

出于以上2点原因，根据新船的剪力弯矩计算书计算老龄船体的受力是偏于安全的，加之剪力弯矩计算是一个复杂的过程，所以在老龄舰艇的强度校核中，不建议对腐蚀后老龄船体的实际剪力弯矩进行计算，而是参考该船设计的剪力弯矩计算书。

在老龄船体“弯矩与剪力计算书”中量得某肋骨处的正常排水量时的弯矩和压头值[3]。剪力取其附近最大值，对量取的弯矩值考虑波浪对船长位置的影响。弯矩值计算按式(3)修正：

M′=(M0-M静)α+M静

(3)

式中：M′为作用在船体艏艉被校核剖面内的计算弯矩值；M0为波峰与波谷处于舯部位置时所计算的被校核剖面的弯矩值；M静为船体处于静水中时被校剖面弯矩值；α为系数，按式(4)计算：

(4)

2有限元分析中载荷与边界条件的施加

边界条件如图2所示。图2中，在端面A与B内中和轴与纵中剖面相交处建一个参考点H，在参考点上施加总纵弯矩。端面各纵向构件节点自由度δx、δy、δz与参考点耦合约束，如图3所示，即图2为载荷与边界条件的理论施加方法，图3为有限元中的具体实现。端面A与B内参考点H横向线位移、垂向线位移、绕纵向轴的角位移约束，即δy=δz=θx=0；端面A内参考点H纵向线位移约束，即δx=0。总体载荷工况边界条件见表1。

3测厚数据的处理

得到船体某剖面构件测厚数据后，将测厚数据填入船体剖面要素计算表中，即可进行该剖面要素计算。记录表中未进行测厚的构件，需以其相邻构件的测厚数据进行代替。然而，由船体板材、型材测厚记录表可知，各构件测厚数据经常包含几个测点，若利用平均值进行强度校核，则容易忽略大深度蚀坑处的应力集中，计算结果偏于危险，但若以最小厚度作为该板的剩余厚度，又容易低估船体剩余强度，造成不必要的退役。由于规范计算法不能反映蚀坑处应力集中，所以需要与有限元法进行对比[5]。本文所取的算例为一单层底船体梁，其外板、纵骨剖面要素分别见表2、表3。

图2　边界条件

图3　耦合约束与施加总纵弯矩

位置线位移约束角位移约束δxΔyδzθxθyθz纵中剖面(半宽模型)固定固定固定节点G(全宽模型)固定端面A、B相关相关相关独立点H(端面A)固定固定固定固定弯矩独立点H(端面B)固定固定固定弯矩

表2　剖面要素表(外板)

表3　剖面要素表(纵骨)

考虑腐蚀减薄之后，在中拱状态下，用有限元法计算时船舯剖面应力云图如图4所示，各构件中拱应力填入表3中。用船体梁弯曲理论计算时分别使用船体构件平均腐蚀厚度和最大腐蚀厚度数据计算的各构件中拱应力结果填入表4中。

图4　中拱应力云图

表4　3种方法计算中拱弯曲应力结果

根据表4的计算结果，数值仿真值介于使用平

均减薄值和最大减薄值计算结果之间，符合客观事实，且使用平均减薄值计算的中拱弯曲应力更接近数值仿真结果，对于两者之间的误差在于使用平均减薄值计算的应力值没有考虑局部腐蚀所带来的应力集中。对于含点腐蚀缺陷的船外板，用总纵弯曲应力第一次近似计算结果乘以应力集中系数有望提高计算结果的精度。根据张岳林等的计算结果[5]，当腐蚀厚度小于板厚的10%时，应力集中系数约为2，10%～30%时应力集中系数约为2.5，超过30%时应力集中系数可按3计算。

4结论

(1)对于老龄船体，考虑腐蚀、变形等因素影响后，船体中拱、中垂弯矩较新船有所减小，因此根据新船的剪力弯矩计算书计算老龄船体的受力是偏于安全的。

(2)在使用规范计算法计算总纵弯曲应力的过程中，使用平均减薄数据比使用最大减薄数据计算的应力值更接近仿真结果。

参考文献：

[1]戴仰山，沈进威，宋竞正. 极限强度校核中的几个问题[J]. 中国造船，2007，48(1)：102-105.

[2]付森宗. 舰船结构总纵强度可靠性分析的一种新方法[J]. 中国造船，2011，52(2)：124-129.

[3]中国船级社. 钢质海船入级与建造规范[M]. 北京：人民交通出版社，2012.

[4]朱锡，吴梵. 舰艇强度[M]. 北京：国防工业出版社，2005.

[5]张岳林,彭飞,牟金磊.单点腐蚀参数对船体板应力集中影响研究[J].船舶工程,2015,37(3):66-69.

中图分类号：U661.43

文献标志码：A

作者简介：陈武(1989—)，男，助理工程师，从事舰船设计制造维修工程；张岳林(1990—)，男，助理工程师，从事舰船设计制造维修工程；苏里阳(1991—)，男，助理工程师，从事电子信息工程。

收稿日期：2015-07-28