多型船体主要构件端部肘板在等载荷条件下强度及疲劳寿命的对比

邵宇 上海佳豪船海工程研究设计有限公司海洋工程设计中心

1.引言

船体主要构件的肘板连接是船舶以及海洋平台上常见的结构形式，通常布置在船体强力构件的端部，起到缓和强力构件端部应力水平的作用。

目前在船舶及海洋平台的结构设计中，常见的船体主要构件端部连接形式主要有四种：

（1）整体式肘板端部连接，常见于散货船的结构设计。

（2）三角型肘板端部连接，常规的船舶结构设计。

（3）端部放大式肘板端部连接，常见于上层建筑以及船体非液舱的结构设计。

（4）无肘板式端部连接，常见于国外船舶紧凑空间的结构设计。

以上四型连接形式参见图1。

图1 四型主要船体构件端部连接形式

本文利用有限元计算，在相同的局部载荷条件下，得出该四型连接形式各主要结构位置的相当应力以及各热点的热点应力。通过比较相同位置的相当应力来了解各型肘板连接形式的在相同局部载荷下的应力分布，并通过比较各型肘板结构的疲劳强度来了解它们在相同局部载荷下的不同寿命。

2.计算模型尺度及构件布置

模型长：L=14.4 m；模型宽：B=7.2 m；模型高：H=4.2 m；

模型为简单舱段，纵骨架式，所有甲板、外板、舱壁板板厚取为10 mm，船体纵向舱壁距离外板为4.8 m，纵向强构件为型材T10X600/10X250，间距为2.4m，横向舱壁间距为9.6m，横向强构件为型材T10X600/10X250，间距为2.4 m，纵骨/扶强材为型材HP200X10,间距为0.6 m。

3.计算模型单元类型/边界条件及载荷

3.1 有限元模型

三维有限元模型包括了船体各主要构件，如主甲板、舱壁以及纵向、横向和垂向的桁材等。计算模型中的甲板板、舱壁板、桁材腹板、面板等均模拟为4节点或3节点板单元；普通横梁、纵骨等均模拟为2节点梁单元。

计算常规强度时模型有限元单元网格大小取约300mm。

计算疲劳强度时各热点附近模型有限元单元网格精细化，网格大小不大于热点处受力构件厚度t。精细网格区域从热点位置向外所有方向延伸不小于10t，并平稳过渡至粗网格。

3.2 计算载荷及载荷施加

计算模型中施加的局部载荷以及分工况分别为:

1）工况1：垂向载荷，2t/m，作用于甲板面；

2）工况2：侧向载荷，2t/m，作用于外板；

3）工况3：双向载荷，同时施加垂向载荷2t/m于甲板面以及侧向载荷2t/m于外板。

计算疲劳时，假设垂向载荷、侧向载荷以及双向载荷工况在船舶运营期间的时间分配均为30%，无载荷工况时间分配为10%。

3.3 模型边界条件

于模型边缘所有节点约束纵向，横向和垂向的线位移,即δx=δy=δz=0。

4.有限元计算结果

4.1 常规强度计算

通过有限元计算，模拟出船体主要构件分别在四型肘板连接形式下，相当应力的分布情况（见表1）并比较它们之间的差异。对比所选取的位置分别为肘板范围附近的强构件腹板、面板以及肘板本身的腹板和面板。位置编号见图2。

图2 构件对比选取位置编号

表1 各种连接形式下的主要结构构件应力对比（ 单位：MPa）

4.2 疲劳强度计算

通过有限元计算，模拟出船体主要构件分别在四型肘板连接形式下，各个热点(热点位置编号参见图3)的热点应力，并应用有限元热点应力分析法计算出各热点的疲劳寿命（见表3），进而比较它们之间的差异。

图3 热点位置编号

表3 各种连接形式下的热点应力及疲劳寿命的对比

疲劳计算相关参数见表2，疲劳寿命计算公式如下：

表2 计算疲劳寿命的相关参数

累计损伤度

5.计算结果分析和讨论

5.1 相同载荷条件下，整体式肘板连接结构强度最强，无肘板式连接结构强度最弱

由计算结果表1可知，无论是垂向载荷工况、侧向载荷工况还是双向载荷工况，在相同的载荷条件下，尽管相当应力最大值出现的位置有所区别，但是对于连接构件端部及肘板本身，所产生的最大应力水平状态是：整体式肘板连接＜三角型肘板连接＜端部放大式肘板连接＜无肘板式端部连接。其中整体式肘板连接与三角型肘板连接的最大应力水平相差很小，端部放大式肘板连接以及无肘板式端部连接的最大应力水平则出现了稍大的提升。仅以相当应力来衡量，整体式肘板连接结构强度最强，无肘板式连接结构强度最弱。

5.2 相同载荷条件下，端部放大式肘板连接结构疲劳寿命最短，无肘板式连接结构疲劳寿命最长

由计算结果表3可知，四种连接形式中各不同热点的总积累损伤度差距很大。各连接形式中的具有最大总累积损伤度的热点位置（热点2，热点4，热点6，热点8）可视为代表该连接形式结构的最弱疲劳强度位置。通过这些热点位置的疲劳寿命比较，可知各连接形式结构的疲劳寿命状态是：端部放大式肘板连接(6年)＜整体式肘板连接（13.2年）＜三角型肘板连接（34.2年）＜无肘板式端部连接（133.7年）。仅以结构疲劳寿命来衡量，无肘板式连接结构寿命最长，端部放大式肘板连接寿命最短。

5.3 端部放大式肘板连接结构不适用于高应力区域或具有显著双向载荷的区域

由计算结果表3可知，端部放大式肘板连接中的热点6是所有热点中热点应力最大的，说明该连接形式出现的应力集中现象最为明显，所以并不适用于高应力区域。实际设计中，端部放大式肘板也常见于上层建筑等非高应力区域。

同时对比各连接形式代表性热点（热点2，热点4，热点6，热点8）的累积损伤度，可以发现多数连接形式的热点（热点2，热点4，热点8），在双向载荷条件下的累积损伤度是介于垂向和侧向载荷条件下累积损伤度之间的，这说明双向载荷条件下会出现部分垂向和侧向载荷累积损伤度的相互抵消。但是端部放大式肘板连接结构的热点（热点6），却是双向载荷条件下的累积损伤度大于垂向和侧向条件下的累积损伤度，所以可以认为是双向载荷条件下出现了垂向和侧向载荷累积损伤度的叠加。在CCS《钢质海船入级规范》中，也明确了端部放大式肘板连接形式仅适用于非液舱形式。对于该说明，通过疲劳强度的观点来看，也可以理解为液舱的强框架结构会受到显著的船体垂向压力和静水侧向压力的双向载荷，所以并不适用会出现累积损伤度叠加的端部放大肘板连接形式。

5.4 无肘板式端部连接形式是在紧凑空间结构设计中的良好选择

无肘板式端部连接形式明确出现于DNV 规范《RULES FOR CALASSIFICATION OF SHIP》中，但是未在CCS相关规范中提及，在国内船舶实际设计中该连接形式也很少出现，但常出现于国外设计的船体紧凑空间结构设计中。尽管该连接形式在相当应力计算中显示在四种连接形式中应力值是最高的，但在疲劳计算中疲劳寿命却是最长的。所以在实际设计中，只要该形式的结构强度满足相关规范要求，无肘板式端部连接是在空间利用紧张情况下的很好的选择。

6.结语

整体式肘板连接和三角型肘板连接形式是船舶及海洋平台上最常见的设计，依据常规强度及疲劳强度的计算结果来看，也是同等载荷条件下相当应力较小且疲劳寿命适中的结构形式。端部放大肘板形式可以用于替代前两种连接形式并节省空间，但是不适用于高应力区域及显著双向载荷区域。无肘板式端部连接可在满足强度要求时应用于船舶及海洋平台结构的紧凑空间设计中。船体设计师应该结合实际，善于切换以上四型船体主要构件的端部肘板连接形式，使船体结构得到最优化的设计。