传统船舶落水管设计中存在的疲劳风险与改进方案

赵文斌，高 峰，华 康

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 引 言

疲劳强度分析是船舶结构设计中非常重要的环节，一旦船体结构因疲劳破坏而产生裂纹，会造成结构断裂破环，在极端情况下甚至会造成海难事故。目前船级社规范对船体主要构件中结构不连续处或高应力处的疲劳强度[1-2]较为关注，例如纵骨趾端和舱口角隅等，但很少关注甲板落水管的疲劳强度。甲板落水管一般位于甲板边板上，甲板边板是承受船舶总纵强度的主要构件，属于高应力区域，一旦出现疲劳裂纹，会严重影响船舶的安全运营。

甲板落水管是将甲板上的水从甲板排至舷外的管路。图1为船上常见的落水管焊接节点形式。在该形式的节点中，落水管直接通过角焊缝与甲板开孔自由边焊接，结构形式简单，焊接方便，在船舶设计建造中被广泛使用。

判断某种节点形式是否具有较好的疲劳强度，一种较为简单的方式是通过有限元分析求得该节点的应力集中系数。通过比较不同方案的应力集中系数的相对大小可知，集中系数小的节点疲劳强度相对较好[3-4]，集中系数相对大的节点疲劳强度相对较差。本文采用体单元的有限元方法建立详细的甲板落水管节点模型。首先研究传统型落水管节点形式（如图1a）所示）角焊缝处的热点应力集中系数，计算结果表明角焊缝处应力集中系数较大。随后计算补强型落水管节点形式（如图1b）所示）角焊缝处的热点应力集中系数，计算结果表明传统的补强处理并未起到明显的改善效果。

为解决传统落水管设计中热点应力集中系数偏大的问题，提出一种改进方案。通过有限元分析，证明该改进方案能有效减小热点应力集中系数，降低疲劳破坏的风险。

图1 船上常见的落水管焊接节点形式

1 常规落水管的设计及其应力集中系数

1.1 节点尺寸

本文计算的传统型落水管节点见图2，节点的具体尺寸见表1。

图2 传统落水管节点

表1 节点尺寸

1.2 有限元模型

采用软件PATRAN/NASTRAN进行有限元分析，有限元模型见图3。由于需表达焊缝信息，无法对传统的壳单元进行模拟。整个模型统一使用8节点六面体单元和6节点五面体单元进行有限元计算分析。计算中使用的载荷为沿船长方向的单位拉伸载荷。

图3 有限元模型

1.3 应力集中系数

根据上述体单元模型计算得到甲板落水管周边的应力见图 4a），最大热点应力集中系数出现位置见图4b），热点应力集中系数最大点在与船长方向平行的角焊缝处，达到3.26。热点应力的获取方法参考文献[2]中关于体单元的读取方法，此处不再单独描述。

以40万t矿砂船为例，船中主甲板上焊接节点的应力集中系数约为1.8时能满足30a的设计疲劳寿命要求。对于常规的焊缝节点而言，当应力集中系数达到3.0时，疲劳寿命下降到6a左右。

图4 最大主应力分布和最大热点应力集中系数出现位置

因此，从计算结果中可看出：对于甲板落水管焊接处的应力集中系数而言，特别是在船中位置，焊缝应力集中系数约为 3.2，很难满足疲劳强度的要求。因此，传统的落水管设计存在较高的疲劳破坏风险，在船舶设计中应加以关注。

2 常用的补强型落水管节点设计及其应力集中系数

除了图1a）所示的传统型落水管设计之外，还有图1b）所示补强型落水管节点形式。该形式常应用于对疲劳强度有较高要求的船舶上。为证明该形式的补强效果，同样采用体单元有限元方法对该形式的热点应力集中系数进行求解。补强型落水管节点模型细节见图5，节点尺寸见表2。

图5 补强型落水管节点模型细节

表2 补强型落水管节点尺寸

有限元模型及加载方法和应力读取方法与第1节中的传统型做法相同，仅开孔周围略有区别，开孔周围模型见图6。

补强型落水管节点的有限元计算结果见图7。热点应力集中系数最大点出现的位置与传统形式一样，都在与船长方向平行的角焊缝处，应力集中系数的值为3.12。

图6 补强型落水管节点开孔周围有限元模型

图7 补强型落水管节点的有限元计算结果

从计算结果中可看出：补强型落水管节点的最大应力集中系数出现的位置与传统型落水管节点相同，其值略有改善，但差别很小。这说明补强方案并没有起到明显的改善疲劳强度的作用。

3 本文提出的改进方案

为改善焊脚处的应力集中系数，基于传统落水管与开孔直接连接的设计形式，提出一种改进方案。该方案的出发点是尽量使焊脚远离开孔边缘，因为距离开孔越近，应力集中系数越大。在该改进方案中，使用一个比甲板开孔更大的圆形帽子倒扣在开孔下方，使落水管与帽子相连。具体改进方案示意见图8，其中：甲板下的帽子高度为150mm，厚度为11mm；帽子与开孔边缘之间的距离a取为100mm。改进方案的有限元模型见图9。

图8 本文提出的改进方案示意

图9 改进方案的有限元模型

改进型落水管节点的有限元计算结果见图10。热点应力最大点出现在开孔自由边的上表面，即图10b）中的1号点，应力集中系数为3.36；焊脚处的应力集中系数为1.30，即图10b）中的2号点。

图10 改进型落水管节点的有限元计算结果

同样以40万t矿砂船为例，当船中主甲板上焊接节点的应力集中系数约为1.8时方能满足30a的设计疲劳寿命要求。对于开孔自由边而言，由于S-N曲线不同，应力集中系数为3.8时也能满足30a的设计疲劳寿命要求。

因此，从计算结果中可看出：当焊缝处的应力集中系数从传统形式的3.0左右减小到1.3时，能显著降低焊缝处疲劳破坏的风险。对于自由边而言，圆孔自由边的应力集中系数理论值为 3.0，该改进型方案中开孔边缘的应力集中系数为3.36，仅比理论值增大约12%。

4 结 语

本文采用体单元方法对传统落水管的结构形式进行了体单元有限元分析。分析结果表明，传统型落水管的开孔边缘焊缝处应力集中系数高达 3.2，较高的热点应力很难满足疲劳强度的要求。另外，对常见的补强型落水管节点进行了有限元分析。分析结果表明，虽然该型的落水管对开孔处进行了结构补强，但应力集中系数仍高达3.1，结构补强没有起到明显的改善开孔边缘应力集中问题的作用。

为改善传统落水管开孔节点的应力集中问题，取消了传统落水管与开孔直接连接的设计形式，先使用一个比甲板开孔更大的圆形帽子倒扣在开孔下方，再与落水管相连，这样可使甲板的焊缝远离开孔边缘。焊缝处的应力集中系数约为 1.3，该设计大幅度减小了焊缝处的应力集中系数，可有效降低落水管处甲板的疲劳破坏风险。从计算结果上看，对于直径为168mm的甲板开孔，帽子与开孔边缘之间的距离在实际项目中可做适当的调整。