陈哲超 李文华 罗仁杰 张思航 王竟宇

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

随着散货船趋于大型化，热点区域的应力集中问题也愈加严重。大型散货船由于甲板开口以及满足隔舱装载设计要求等特点，横舱壁下部受到较大的弯曲载荷和剪切载荷；加之底凳、内底板与双层底纵桁连接处的类似十字交叉结构形式，使大型散货船横舱壁底凳与内底连接处的应力集中水平愈加严重，因此通常需通过细网格有限元进行详细评估。

与传统的CSR BC评估方法相比，协调版共同 结 构 规 范（harmonised common structural rule，CSR-H）［1］采用了与CSR OT关于细网格分析一致的技术路线，即划分了强制细化区域和筛选细化区域［2］。散货船横舱壁底凳与内底连接处是CSR-H规定的筛选细化区域。当进行舱段粗网格有限元屈服强度计算时，如果该区域应力高于许用应力，需要对该区域进行细网格以及精细网格分析计算。一批学者针对CSR-H的结构强度评估方法，进行了对比研究。如杨旭等［3］针对油船底边舱下折角结构进行了多方案优化设计；刘洋等［4］进行了散货船以及油船多热点疲劳寿命的研究。研究表明CSR-H规范强度要求较CSR更严格且保守［5］。

本文基于CSR-H结构评估方法，对某大型散货船重压载舱底凳与内底连接处结构进行多方案优化设计，并针对各方案进行细网格屈服强度和精细网格疲劳强度分析。

1 计算对象、模型与计算方法

1.1 粗网格分析

本文研究对象为某大型散货船，该船沿纵向划分为9个货舱，船长约291 m、型宽45 m、型深24.9 m。在散货船各个货舱中，重压载舱底凳与内底连接处应力集中最为严重，因此本文将重压载舱作为典型货舱段建立有限元模型，进行各加强方案的分析研究。根据CSR-H规范要求，模型在纵向范围覆盖3个货舱长度，宽度以及垂向方向覆盖全船宽度以及型深。模型的单元尺寸约为纵骨间距（如图1所示），其中，重压载舱内前后两道槽型舱壁的底凳均为一侧垂直板和一侧斜板的结构，其在重压载舱内与内底连接处（即底凳垂直板与内底连接处以及底凳斜板与内底连接处），将分别开展相关强度评估。

图1 散货船三舱段有限元模型

对于底凳与内底连接处结构区域，根据CSR-H规范，当屈服利用因子大于0.75时，需要进行细网格分析。经过计算，该区域最大应力出现于纵桁与底凳垂直板交点处，如表1所示。

距离船中心线越近的纵桁，其与底凳交点处应力集中越严重。距船中心线1950 mm纵桁应力云图如下页图2所示。

根据粗网格计算结果，需要对该连接处进行细网格计算分析。

表1 底凳与内底连接处粗网格最大屈服利用因子mm

图2 距船中心线1950 m m纵桁屈服利用因子云图

1.2 细网格分析

模型细网格区域如图3所示，模型范围按照CSR-H规定取为三舱段全宽模型。细网格计算采用子模型法，位移边界条件和载荷条件由粗网格模型中提取。如图4所示，细化区域内单元尺寸不大于50 mm×50 mm。由表1可知，距船中心线1950 mm底凳与内底连接处应力集中最为严重，本文选择该位置进行加强方案的研究。

图3 模型细网格区域

图4 模型细网格区域

根据CSR-H的规定，对于符合疲劳强度要求的结构，许用应力可以放大1.2倍。本文对于底凳与内底连接处进行疲劳强度分析，放大后的许用应力衡准如表2所示。

根据细网格分析结果，最大应力出现在纵桁与底凳垂直板交点，最大值为1095 MPa，远超过许用应力；纵桁与底凳斜板交点处最大应力为946.1 MPa，如图5所示。相较于粗网格计算结果，细网格计算中纵桁与底凳垂直板交点处应力明显大于其与底凳斜板交点处应力。

表2 考虑疲劳强度的应力许用衡准MPa

图5 单元应力云图

2 底凳与内底连接处加强方案设计与屈服强度分析

2.1 加强方案设计

对于底凳与内底连接处的结构加强，提出6种工艺上可行的加强方案，如表3所示。

表3 加强方案示意

2.2 屈服强度分析

考察加强方案1，该加强方案是针对此类高应力区域最常用的加强手段，即对底纵桁嵌厚加强。通过该加强方案，最大应力出现在纵桁与底凳垂直板交点，最大值为812.1 MPa，远超过许用应力；纵桁与底凳斜板交点最大应力为683.8 MPa。

图6 加强方案1单元应力云图

考察加强方案2：在加强方案1的基础上，在底纵桁与肋板设置38AH36嵌厚板。通过肋板的嵌厚，提高该点横向强度。最大应力出现在纵桁与底凳垂直板交点，最大值为727.3 MPa，较方案1最大应力下降10.4%；纵桁与底凳斜板交点应力最大值为650.6 MPa。

图 7 加强方案2单元应力云图

考察加强方案3：在加强方案1的基础上，在底纵桁与内底板设置38AH36嵌厚板。通过内底板的嵌厚，提高该点纵向与横向强度。最大应力出现在纵桁与底凳垂直板交点，最大值为649.3 MPa，较方案1最大应力下降20%；纵桁与底凳斜板交点应力最大值为534.2 MPa。该方案加强效果明显。

图8 加强方案3单元应力云图

考察加强方案4：在加强方案1的基础上，在双层底内靠近纵桁与底凳交点处设置短纵桁，短纵桁设置在相邻2个纵桁之间，横跨2个横框架。距船中心线1950 mm纵桁一侧是管弄，仅在另一侧设置短纵桁。该方案使交点附近形成局部箱形结构，增大了该点附近的刚度。最大应力出现在纵桁与底凳垂直板交点，最大值为710.2 MPa，较方案1最大应力下降12.5%；纵桁与底凳斜板交点应力最大值为592.8 MPa。考虑到设置局部短纵桁增加质量较多，该方案效率不高。

图9 加强方案4单元应力云图

考察加强方案5：综合加强方案2和3，在纵桁、肋板和内底板嵌厚38AH36钢板，增加该点局部强度。该方案下的最大应力为561.8 MPa，较方案1最大应力下降30.8%；纵桁与底凳斜板交点应力最大值为494.7 MPa。

图10 加强方案5单元应力云图

考察加强方案6：综合加强方案2、3和4，在纵桁、肋板和内底板嵌厚38AH36钢板，并且设置短纵桁，提高该点局部强度与刚度。在该方案下纵桁与底凳垂直板交点最大应力为494.5 MPa，较方案1最大应力下降39.1%；纵桁与底凳斜板交点最大应力为425.3 MPa。

图11 加强方案6单元应力云图

6种加强方案最大应力均出现在纵桁与底凳垂直板交点。为便于同规范许用值比较，表4和表5分别展示了动载荷及静载荷工况下底凳与内底连接处归一化的最大屈服利用因子。

表4 动载荷工况下各加强方案归一化最大屈服利用因子比较

表5 静载荷工况下各加强方案归一化最大应力屈服利用因子比较

由表4和表5中数据可以看到，对内底板进行加强效果较为明显。肋板嵌厚以及设置局部短纵桁均有一定效果，但是设置局部短纵桁则质量增加较多，加强方案2、3和4均无法将纵桁与底凳垂直板交点应力降到规范许用范围。同时进行内底板以及肋板加强的效果很明显，可使底凳与内底交点处应力满足规范要求，并且船体质量增加量适中。在此基础上再设置局部短纵桁，可以进一步降低应力。由加强方案2 ～ 6相较于加强方案1的应力减小幅度可以得到，同一加强方案对于纵桁与底凳垂直板、斜板的两处交点，其加强效果相近（仅加强方案2对两点加强效果有所区别）；对于同一位置，同一加强方案在动、静载荷工况下加强效果几乎一致。

我们同时观察到，同一加强方案、同种载荷类型下，纵桁与底凳斜板交点处最大应力约为其与底凳垂直板交点最大应力的80%～85%。

3 疲劳强度分析

根据CSR-H要求，底凳与内底连接处共有5个热点需进行疲劳寿命计算（见图12）。疲劳热点附近的精细网格尺寸为t×t，范围为热点处往外延伸至少10个单元，疲劳网格模型参见图13。

图12 疲劳强度分析热点

图13 疲劳网格模型示意图

根据精细网格计算，对热点进行疲劳寿命评估。距船中心线1950 mm底凳与内底连接处最短疲劳寿命如下页表6和表7所示（热点5左侧点毗邻管隧）。根据CSR-H规范规定，疲劳寿命要求大于25年。底凳斜板与内底连接处疲劳寿命远大于底凳垂直板与内底连接处。对于肋板、内底板的加强以及设置局部短纵桁均可以改善连接处疲劳寿命，其中设置局部短纵桁效果较为明显，但是对于底凳垂直板与内底连接处而言，加强方案2、3和4均无法满足规范要求。同时对内底、肋板进行加强可以显著改善连接处疲劳寿命，满足规范要求；再进一步设置局部短纵桁，疲劳寿命将继续得到改善。

表6 纵桁与底凳垂直板交点处热点疲劳寿命

表7 纵桁与底凳斜板交点处热点疲劳寿命

4 结 论

大型散货船横舱壁底凳与内底连接处的应力集中状况较严重。本文对某大型散货船重压载舱距船中心线1950 mm底凳与内底连接处应力分布进行研究，针对性地提出了6种加强方案，分析了各加强方案的效果。相关结论同样适用于散货船的轻货舱和重货舱。

加强方案1对纵桁上高应力区域进行加强，但是其应力结果及疲劳寿命与规范要求有较大差距；加强方案2和3在加强方案1的基础上分别对肋板以及内底板进行嵌厚加强；加强方案4则在加强方案1的基础上设置了局部短纵桁。以上方案均可一定程度降低连接处应力，提高疲劳寿命，其中加强方案3的应力减小幅度最大。相较于加强方案2和3，加强方案4因设置局部短纵桁而使船体质量明显增加。当大型散货船底凳与内底交点应力集中过于严重时，以上4种加强方案均难以使该点的应力或者疲劳寿命满足规范要求。结合加强方案2和3便得到加强方案5，该方案对该点处纵桁、内底板、肋板进行局部嵌厚，其应力以及疲劳状况均得到大幅度改善，满足规范要求。而在加强方案5的基础上，设置局部短纵桁便得到加强方案6，该方案的应力以及疲劳状况进一步得到改善。

根据以上对各加强方案的总结分析，本文得出以下结论：

（1）大型散货船底凳与内底连接处应力集中较为严重，应力最大点出现在纵桁与底凳交点。当底凳板垂直时，其与纵桁交点处应力与疲劳问题均比底凳板倾斜时严重。

（2）对于底凳与内底连接处的加强，除对纵桁上高应力区域加强外，对纵桁与底凳交点周边内底板嵌厚加强较有效；对实肋板嵌厚加强以及设置局部短纵桁也有一定效果，但是设置局部短纵桁将增重较多。

（3）同时对内底板以及实肋板进行加强，可以显著改善底凳与内底连接处应力以及疲劳状况，在此基础上再设置局部短纵桁，应力以及疲劳状况进一步改善。

（4）综上，本文针对底凳与内底连接处给出推荐加强方案：除对纵桁高应力区加强外，首先考虑对纵桁高应力区周边内底板进行嵌厚加强，其次考虑在对内底板加强基础上对肋板进行嵌厚加强。如果此时该位置应力以及疲劳寿命无法满足规范要求，再谨慎考虑设置局部短纵桁。