朱培培，叶仁凯，盛利贤，竹 亮

(1.上海外高桥造船有限公司，上海 200137；2.扬州海翔船舶科技有限公司，江苏 扬州 225000)

0 引言

散货船作为当今国际航运市场的三大主力船型之一，主要用于干散货运输，其运输量的不断增加也对其结构安全提出了更高的要求。本文以某21万t散货船为研究对象，根据HCSR规范要求，采用有限元方法对该散货船底凳与内底相交处进行局部细网格强度分析和疲劳精细网格强度分析，详尽阐述了该节点的结构计算要求和加强思路，为后续散货船该节点的强度校核与加强提供参考。

1 计算要求

1.1 局部结构强度分析

细网格评估区域分为强制区域和筛选区域，根据规范《Common Structural Rules for Bulk Carriers and OilTankers》(以下简称《规范》)第一部分第七章第三节的要求：横向底凳与双层底纵桁的连接处在货舱区域内需进行细网格筛选评估。

1.1.1细网格筛选

横向底凳与双层底纵桁连接处的三舱段粗网格应力若满足筛选衡准要求，则无需进行细网格分析，反之则需。其筛选衡准为：

λy≤0.75λyperm

式中：λy为粗网格屈服利用系数。

对于板单元而言：

式中：σvm为Von Mises应力，MPa；RY为名义屈服应力，取235/k，k为材料系数；λyperm为粗网格许用屈服利用系数，对于S+D(静载荷+动载荷)工况：λyperm=1，对于S(静载荷)工况：λyperm=0.8。

1.1.2细网格建模

细化区域的网格尺寸应不大于50 mm×50 mm，细化范围应由校核区域向各个方向延伸不少于10个单元。

1.1.3有限元载荷组合

细网格分析应对所有适用于相应舱段分析的有限元载荷组合进行。

1.1.4细网格评估衡准

λf≤λfperm

式中：λf为细网格屈服利用系数。

对于板单元而言：

式中：λfperm为细网格许用屈服利用系数。靠近焊缝的单元，对于S+D工况：λfperm= 1.50ff；对于S工况：λfperm= 1.20ff。ff为疲劳系数，一般而言：ff=1.0；如果按照《规范》对该细网格节点进行疲劳分析并且满足要求，则：ff= 1.2。

1.2 疲劳强度分析

1.2.1疲劳评估区域

疲劳评估分为强制区域和筛选区域。《规范》第九章第二节规定：对于压载货舱，位于双层底桁材处的横舱壁底凳与内底相交处是疲劳强制评估区域；对于不作为压载货舱的EA货舱、FA货舱，横舱壁底凳与内底连接处是疲劳筛选评估区域。

1.2.2精细网格结构建模

本节点为“a”型节点。对于“a”型节点精细化网格区域的网格尺寸应不大于tn50mm×tn50mm(tn50为扣除一半腐蚀后的净厚度)，细化范围应由校核区域向各个方向延伸不小于10个单元。

1.2.3有限元载荷组合

对每一种装载工况，疲劳评估的动载荷组合应考虑所有的疲劳载荷工况，最后用于疲劳评估的是所有疲劳载荷工况中热点位置疲劳应力幅值最大的载荷工况。

1.2.4疲劳评估衡准

TF≥TDF

式中：TF为计算疲劳寿命；TDF为设计疲劳寿命，一般不小于25 a。

2 实例分析

以某21万t散货船为研究对象，其主尺度要素为：船长294 m，船宽50 m，型深25.2 m。应用LR/CSR FE Analysis软件对该散货船重压载舱(第6货舱)、重货舱(第5货舱)、轻货舱(第4货舱)的纵桁处横舱壁底凳与内底相交位置进行强度评估。图1为该相交节点的结构示意图。该节点处所有材料均采用H36高强度钢，材料系数k为0.72。计算时，对S工况下的屈服利用系数进行处理，将其除以系数0.8，使S工况下的衡准值与S+D工况下的衡准值保持统一，则粗网格许用屈服利用系数λyperm取1，焊接区域细网格许用屈服利用系数λfperm取1.50；若疲劳强度满足要求，λfperm取1.80。

图1 横舱壁底凳与双层底纵桁相交位置示意

2.1 细网格筛选

本算例四、五、六舱三舱段粗网格结果显示：除靠近舷侧的一根旁纵桁外，其他纵桁对应的该节点粗网格屈服利用系数均大于0.75λyperm，需进行网格细化分析。

2.2 细网格应力结果与加强分析

2.2.1三种分析方式研究

表1显示横向底凳与内底的连接位置在四舱后横舱壁中纵桁处采用三种不同方法所得出的加强方案和应力结果。

方法1：采用粗网格分析，对相关构件加厚使其粗网格屈服利用系数小于等于0.75λyperm，从而后续无需进行细网格分析。

方法2：不考虑疲劳强度，采用粗网格和细网格两者相结合的方式进行分析，对相关构件加厚使其满足衡准要求。

方法3：使疲劳强度满足衡准要求，采用粗网格、细网格、精细网格三者相结合的方式进行分析，对相关构件加厚使其满足衡准要求。

表1 三种计算方法结果对比

从表1结果对比表明：方法1增加的板厚最多，结构重量最重，其次为方法2、方法3。因此，为有效降低结构重量、增加载货量，对于横向底凳与内底的连接处采用粗网格、细网格、精细网格三者相结合的方式最为合理。

2.2.2细网格加强研究

粗网格结果显示：纵桁、底凳隔板应力较大，需局部嵌入500 mm×500 mm的插厚板，以下细网格分析时将以各舱中纵桁处尾端底凳与内底相交处节点为对象进行分析阐述。一般情况下，插厚板厚度不能超过相邻板厚的2倍[1]，故插厚板板厚不能一味加大，而是通过加大其相邻构件板厚来降低整体应力。

本算例将采用粗网格、细网格、精细网格三者相结合的方式进行分析，有限元模型如图2所示。若疲劳强度满足要求，相应细网格屈服利用系数许用值可放大1.2倍。由于底凳隔板规范未定义其热点，船级社认为其疲劳系数只能取做1。

图2 有限元模型

以六舱重压载舱为例(其他货舱经验证结论相似)，初始纵桁、内底板、肋板、隔板、斜板的板厚分别为16.5、22.0、15.0、13.0、21.5 mm，计算得到的纵桁应力为860.41 MPa，隔板应力为562.94 MPa。通过控制变量法进行计算，得到单一构件板厚变化引起纵桁、隔板应力变化的情况，其结果见表2。从结果可以看出：

(1)增加构件板厚能有效减小纵桁应力的构件依次为纵桁板、内底板、肋板。

(2)增加底凳斜板、底凳隔板板厚会增大纵桁应力。

(3) 增加构件板厚能有效减小底凳隔板应力的构件依次为底凳斜板、底凳隔板、肋板、内底板。

(4)增加纵桁板厚会增大底凳隔板应力。

表2 构件板厚变化对纵桁和隔板应力的影响

2.2.3细网格分析结果

按照细网格分析要求，统筹考虑所有相邻构件的影响最终确定构件尺寸。由于篇幅有限，表3只显示各舱中纵桁处尾端底凳与内底相交处加强后的最终屈服利用系数结果。

表3 中纵桁处尾端底凳与内底相交处屈服利用系数结果

2.3 疲劳强度分析

本算例六舱是重压载舱。为疲劳强制计算的舱，四舱、五舱需进行疲劳筛选来决定是否需要进行精细网格分析。考虑到四舱、五舱细网格屈服利用系数较大，本算例将直接对其疲劳寿命进行计算，以期能增大细网格屈服利用系数许用值。

横舱壁底凳与内底相交处热点位置示意图如图3所示。基于上述细网格最终板厚结果，对三个货舱中纵桁处尾端底凳与内底连接位置进行热点疲劳评估，评估结果见表4。

从表中结果可以看出，三个货舱中纵桁处尾端底凳与内底相交处的热点疲劳寿命大于设计疲劳寿命25 a，疲劳强度均满足要求，因此上述最终细网格结果也满足规范衡准要求。从表4中还可以看出，各舱内底所对应热点疲劳寿命最小。当内底疲劳寿命不满足规范要求时，可加大内底板厚[2]，此时对细网格应力结果也是有利的。

图3 横舱壁底凳与内底相交处热点位置示意图

热点位置TF /a四舱五舱六舱热点1: 货舱一侧的内底板44.9832.0146.71热点2: 货舱一侧的底凳斜板109.2045.9661.76热点3:货舱下,与底凳斜板对齐的支撑实肋板相连的纵桁79.4245.5579.02热点4:底凳下,与底凳斜板对齐的支撑实肋板相连的纵桁214.25150.72119.74热点5: 与底凳板对齐的双层底支撑实肋板1 535.75429.24739.65

3 结论

本文依据HCSR规范要求，通过有限元计算软件对某21万 t散货船的底凳与内底相交处进行强度分析，包括局部细网格强度分析和疲劳精细网格强度分析。

(1)局部强度方面。采用粗网格、细网格、精细网格三者相结合的方式，能有效控制板厚增加，使结构重量降低。纵桁、隔板应力结果较大，单纯加大构件本身的厚度很难满足规范要求，应考虑通过加大相邻其他构件板厚来降低整体应力，使各构件应力满足衡准要求。

(2)疲劳强度方面。本算例三舱在满足细网格要求的板厚基础上计算得出的疲劳寿命均满足设计疲劳寿命要求，但各舱内底板所对应的热点疲劳寿命富余不大，尤其是重货舱，而加大内底板厚对疲劳和细网格应力结果都是有利的。