楊 旭高 處邱偉強(qiáng)

（1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200240；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

油船底邊艙下折角結(jié)構(gòu)加強(qiáng)多方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊 旭1,2高 處2邱偉強(qiáng)2

（1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200240；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

協(xié)調(diào)共同規(guī)范（CSR-H）對(duì)油船貨艙區(qū)底邊艙下折角細(xì)網(wǎng)格直接強(qiáng)度分析和精細(xì)網(wǎng)格疲勞強(qiáng)度分析提出了強(qiáng)制要求。以某大型油船貨艙底邊艙下折角有限元計(jì)算為例，探討了四種貨艙區(qū)底邊艙下折角結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案，為后續(xù)符合CSR-H規(guī)范的油船底邊艙下折角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

下折角；油船；細(xì)網(wǎng)格；多方案

引 言

油船底邊艙下折角是指貨艙區(qū)底邊艙斜板與內(nèi)底板相交處，該節(jié)點(diǎn)連接著內(nèi)底板、底邊艙斜板、旁底縱桁、雙層底實(shí)肋板和舭部強(qiáng)框，是油船船體結(jié)構(gòu)的典型高應(yīng)力區(qū)。2016年4月1日發(fā)布實(shí)施的油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（以下簡(jiǎn)稱CSR-OT）對(duì)其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)提出要求（見(jiàn)下頁(yè)圖1），內(nèi)底板與底邊艙斜板、雙層底實(shí)肋板、邊縱桁、底邊艙橫隔板之間應(yīng)至少采用部分熔透焊接，底邊艙斜板的中線應(yīng)與桁材對(duì)齊，容許公差為t/3或5 mm，其中t為內(nèi)底板厚度。應(yīng)通過(guò)消除邊艙折角處的扇形孔，延伸內(nèi)底板來(lái)減少周期性的外部波浪壓力、貨物慣性壓力和船體梁載荷引起的合成應(yīng)力水平。另外，CSR-OT還對(duì)該區(qū)域的疲勞強(qiáng)度校核提出強(qiáng)制要求［1］。2015年7月1日實(shí)施的協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（以下簡(jiǎn)稱CSR-H）在CSR-OT的基礎(chǔ)上，對(duì)下折角有限元細(xì)網(wǎng)格屈服強(qiáng)度校核也提出強(qiáng)制要求［2］。本文對(duì)某大型油船貨艙區(qū)底邊艙下折角結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并針對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行粗網(wǎng)格與細(xì)網(wǎng)格的屈服強(qiáng)度分析和精細(xì)網(wǎng)格的疲勞強(qiáng)度分析。根據(jù)分析結(jié)果，探討不同結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案的特點(diǎn)和優(yōu)劣，為后續(xù)符合CSR-H的船型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 底邊艙下折角結(jié)構(gòu)初步方案設(shè)計(jì)和屈服強(qiáng)度分析

1.1 粗網(wǎng)格分析

本文涉及的目標(biāo)大型油船為雙底雙殼結(jié)構(gòu)。如圖1所示，有一道中縱艙壁將貨油艙分為左右兩邊。該船總長(zhǎng)約274 m、型寬48 m、型深23.4 m，符合大型油船的典型尺度特征［3］。在CSR-OT和CSR-H規(guī)范中，明確規(guī)定需使用有限元分析方法對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估的強(qiáng)制要求。有限元屈服強(qiáng)度分析應(yīng)包括艙段的粗網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格分析。根據(jù)粗網(wǎng)格分析的相關(guān)要求，模型的單元尺寸約為縱骨間距，單元厚度為扣除一半腐蝕余量的凈厚度。模型范圍按照CSR-H規(guī)定取為三艙段全寬模型，并依據(jù)規(guī)范施加合理的邊界條件和載荷條件。在底邊艙折角應(yīng)力集中區(qū)域的初始結(jié)構(gòu)材質(zhì)為AH32高強(qiáng)度鋼，材料系數(shù)為0.78。粗網(wǎng)格有限元屈服強(qiáng)度評(píng)估基于板單元的膜應(yīng)力與應(yīng)力衡準(zhǔn)之間的比較，通常用歸一化的屈服利用因子λy-normal表示，見(jiàn)式（1）：

式中：歸一化屈服利用因子λy-normal應(yīng)小于1；λy和λyperm分別為屈服利用因子和許用屈服利用因子。許用屈服利用因子與結(jié)構(gòu)構(gòu)件、計(jì)算工況的類型相關(guān)，具體取值參見(jiàn)文獻(xiàn)［2］435頁(yè)表10中的相關(guān)規(guī)定。

下頁(yè)圖2所示為底邊艙折角處粗網(wǎng)格屈服強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，歸一化的屈服利用因子λy-normal最大為0.94，滿足CSR-H的要求。

1.2 細(xì)網(wǎng)格分析

粗網(wǎng)格分析結(jié)束后，選取所有橫向強(qiáng)框中應(yīng)力水平最高的下折角區(qū)域進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格有限元建模和計(jì)算。該計(jì)算采用有限元子模型，模型范圍為1+1個(gè)強(qiáng)框間距，包含船舶整個(gè)型深和型寬，位移邊界條件和載荷條件從艙段有限元粗網(wǎng)格模型中讀取。細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)單元尺寸不大于50 mm×50 mm，單元厚度為扣除全部腐蝕余量的凈厚度。細(xì)網(wǎng)格分析的計(jì)算點(diǎn)及模型概貌如圖3所示。

根據(jù)CSR-H的規(guī)定，對(duì)于符合疲勞強(qiáng)度衡準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，其許用應(yīng)力可以放大1.2倍。目標(biāo)船底邊艙下折角處結(jié)構(gòu)將進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算，且適當(dāng)加強(qiáng)以滿足CSR-H規(guī)定的疲勞強(qiáng)度衡準(zhǔn)。放大后的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 符合疲勞強(qiáng)度衡準(zhǔn)區(qū)域結(jié)構(gòu)的細(xì)網(wǎng)格單元許用應(yīng)力MPa

細(xì)網(wǎng)格有限元計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示，貨艙區(qū)下折角處最大合成應(yīng)力出現(xiàn)在毗鄰折角點(diǎn)的雙層底實(shí)肋板上。航行工況（載荷組合S+D）下出現(xiàn)最高應(yīng)力的工況是B7風(fēng)暴壓載工況，為546.3 MPa，略高于542.3 MPa的許用應(yīng)力；港內(nèi)、艙室試驗(yàn)工況（載荷組合S）下最高應(yīng)力出現(xiàn)在B8縱向隔艙裝載工況，為541.0 MPa，高于433.8 MPa的許用應(yīng)力。所以，對(duì)應(yīng)表1，航行工況及港內(nèi)、艙室試驗(yàn)工況均不滿足CSR-H的要求。因此，需要對(duì)該處進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)以滿足規(guī)范要求。

2 底邊艙下折角結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì)和屈服強(qiáng)度分析

2.1 底邊艙下折角結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì)

對(duì)于底邊艙下折角處的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，并結(jié)合船廠的意見(jiàn)，提出四種工藝上可行的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案：方案1、增加下折角應(yīng)力集中處的實(shí)肋板及舭部強(qiáng)框腹板板厚；方案2、應(yīng)力集中處的實(shí)肋板前后約350 mm處設(shè)置一對(duì)伴隨肘板；方案3、應(yīng)力集中處實(shí)肋板增開(kāi)應(yīng)力釋放孔；方案4、在貨艙內(nèi)折角處對(duì)齊實(shí)肋板增設(shè)圓弧形防疲勞肘板。

另外，還有一種較常見(jiàn)的加強(qiáng)方案，即將底邊艙斜板與內(nèi)底板之間用標(biāo)準(zhǔn)圓弧過(guò)渡，如圖6所示。

這種結(jié)構(gòu)形式改變需要船廠在施工工藝方面作出重大調(diào)整；而且，如果底邊艙斜板與內(nèi)底板之間過(guò)渡圓弧的半徑偏小，則局部的應(yīng)力集中仍然較為嚴(yán)重；如果過(guò)渡圓弧半徑偏大，則在首尾分段的前后對(duì)接時(shí)工藝繁瑣。正因?yàn)楣に嚿喜荒転槟繕?biāo)船廠所接受，所以此加強(qiáng)方案不屬本文論述的范圍。

2.2 屈服強(qiáng)度分析

加強(qiáng)方案1是船舶設(shè)計(jì)工作中最常用的設(shè)計(jì)手段，即增加高應(yīng)力區(qū)的結(jié)構(gòu)尺寸，以達(dá)到降低該處應(yīng)力水平之目的。從圖4和圖5可見(jiàn)，下折角應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力梯度變化較大，緊鄰旁底縱桁和內(nèi)底板處的一個(gè)有限元單元具有極高的應(yīng)力水平，而與之相鄰的其他單元的應(yīng)力水平相應(yīng)降低28%。實(shí)際計(jì)算也發(fā)現(xiàn)，該單元應(yīng)力并非隨著肋板板厚的增加而線性減小，應(yīng)力降低的幅度較為緩慢。

由圖7所示的計(jì)算結(jié)果表明，為使折角處結(jié)構(gòu)的單元應(yīng)力分別滿足航行工況和港內(nèi)工況的許用應(yīng)力要求，原設(shè)計(jì)中該處舭部強(qiáng)框板厚和雙層底實(shí)肋板板厚應(yīng)由22< 19 >AH 和29< 26 >AH增加到30< 27 >AH36和48< 45 >AH36（< >內(nèi)的數(shù)字表示扣除全腐蝕余量后的凈厚度），如圖8所示。

加強(qiáng)方案2是在雙層底實(shí)肋板前后增設(shè)板厚與實(shí)肋板相同的一對(duì)伴隨肘板。設(shè)想通過(guò)在實(shí)肋板前后相鄰位置新增肘板來(lái)分擔(dān)雙層底實(shí)肋板上的局部載荷，通過(guò)改善局部結(jié)構(gòu)剛度的方式達(dá)到降低該處應(yīng)力的目的。理論上該肘板距離肋板越近越好，但考慮到實(shí)際建造便利的問(wèn)題，將這一對(duì)肘板設(shè)于距離實(shí)肋板350 mm處，如圖9所示。該方案的計(jì)算結(jié)果表明，雙底內(nèi)增設(shè)與原設(shè)計(jì)肋板厚度相同的肘板時(shí)，折角處單元的應(yīng)力仍舊無(wú)法滿足CSR-H的要求，因此必須同時(shí)增加實(shí)肋板和伴隨肘板的厚度。若需滿足規(guī)范要求，內(nèi)底折角處肋板及其前后伴隨肘板的板厚需同時(shí)增加至40< 37 >AH36。加強(qiáng)后的 單元應(yīng)力如圖10所示。

加強(qiáng)后的實(shí)肋板和舭部強(qiáng)框腹板雖滿足CSR-H的強(qiáng)度要求，但是相鄰伴隨肘板上的單元最大合成應(yīng)力不超過(guò)150 MPa。這說(shuō)明該伴隨肘板在分擔(dān)實(shí)肋板所承受載荷和變形方面所起的作用較為有限。

加強(qiáng)方案3是一種非常規(guī)的“加強(qiáng)”方案，通過(guò)在承載結(jié)構(gòu)上的某個(gè)合適位置開(kāi)孔，引起局部應(yīng)力梯度的改變，使開(kāi)孔附近結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重新分布，起到降低最高應(yīng)力水平的作用。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)以往船級(jí)社試算的經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)孔的型心布置在應(yīng)力集中區(qū)域單元的主應(yīng)力方向上效果較好。下折角處主應(yīng)力方向矢量圖如圖11所示。

可見(jiàn)，應(yīng)力最大單元的主應(yīng)力方向約為底邊艙斜板斜率的方向。另外，由于該處應(yīng)力梯度變化比較大，開(kāi)孔應(yīng)盡量接近高應(yīng)力區(qū)域以達(dá)到改變?cè)瓚?yīng)力分布的效果；同時(shí)也要保證開(kāi)孔周圍結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度符合CSR-H的強(qiáng)度衡準(zhǔn)。因此，在初步加強(qiáng)方案中，考慮在肋板上距旁底縱桁和內(nèi)底板分別為150 mm處開(kāi)設(shè)100的應(yīng)力釋放孔，同時(shí)將該處肋板鋼級(jí)提高至AH36，見(jiàn)圖12。

開(kāi)設(shè)圓孔后的單元應(yīng)力分布結(jié)果見(jiàn)圖13。毗鄰旁底縱桁和內(nèi)底板的單元最高應(yīng)力由546 MPa降至464 MPa，同時(shí)開(kāi)孔自由邊的應(yīng)力水平上升至460 MPa左右，均符合規(guī)范的強(qiáng)度衡準(zhǔn)要求。

事實(shí)上，改變開(kāi)孔形狀可近一步降低毗鄰旁底縱桁和內(nèi)底板單元的最高應(yīng)力。在本文中，通過(guò)利用OptiStruct軟件對(duì)開(kāi)孔形狀進(jìn)行自由形狀優(yōu)化，以折角區(qū)域最高應(yīng)力水平的最小化為目標(biāo)，對(duì)開(kāi)孔形狀進(jìn)行形狀優(yōu)化計(jì)算，可得到最優(yōu)的開(kāi)孔形狀及開(kāi)孔位置。在本工程實(shí)例中，優(yōu)化后的開(kāi)孔形狀可以抽象為長(zhǎng)軸140 mm，短軸100 mm的橢圓形，橢圓的開(kāi)孔位置參見(jiàn)圖12。橢圓形開(kāi)孔方案的局部單元應(yīng)力水平分布結(jié)果如圖14所示。

開(kāi)設(shè)橢圓形應(yīng)力釋放孔后，毗鄰旁底縱桁和內(nèi)底板單元最高應(yīng)力進(jìn)一步降至約400 MPa，而橢圓孔自由邊的應(yīng)力水平依然保持為465 MPa。圓孔與橢圓開(kāi)孔對(duì)雙層底實(shí)肋板上應(yīng)力整體分布的改善作用如圖15所示。

由該圖可以看出，設(shè)置應(yīng)力釋放孔之后，底邊艙下折角應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力峰值降幅明顯，同時(shí)應(yīng)力分布相對(duì)于原設(shè)計(jì)方案（圖5）更加均勻，符合優(yōu)化設(shè)計(jì)基本原理。

加強(qiáng)方案4是在底邊艙下折角處的貨艙內(nèi)對(duì)齊實(shí)肋板增加圓弧形防疲勞肘板，這是CSR-OT及CSR-H提高貨艙區(qū)底邊艙下折角疲勞強(qiáng)度的推薦方案之一。規(guī)范要求該肘板至少延伸至內(nèi)底板及底邊艙斜板上相鄰的第一根縱骨處，肘板趾端須采用軟趾設(shè)計(jì)，肘板材質(zhì)須與內(nèi)底板相同。該設(shè)計(jì)方案的有限元模型見(jiàn)圖16。艙內(nèi)增設(shè)肘板后的應(yīng)力分布云圖如圖17所示。作為規(guī)范推薦的加強(qiáng)方案，最高應(yīng)力水平降低的效果非常明顯。初始設(shè)計(jì)中，毗鄰旁底縱桁和內(nèi)底板實(shí)肋板單元的最高應(yīng)力水平由546 MPa降低至約300 MPa，同時(shí)應(yīng)力最高的單元出現(xiàn)于肘板的自由邊處，為396 MPa，符合規(guī)范的強(qiáng)度衡準(zhǔn)要求。

四種加強(qiáng)方案的歸一化屈服利用因子和對(duì)艙段質(zhì)量影響的對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 油船底邊艙下折角加強(qiáng)多方案計(jì)算結(jié)果

各加強(qiáng)方案都能使底邊艙下折角處的歸一化屈服利用因子達(dá)到CSR-H規(guī)范的強(qiáng)度衡準(zhǔn)要求。其中加強(qiáng)方案1和加強(qiáng)方案2是設(shè)計(jì)工作中常規(guī)考慮的方案，但加強(qiáng)方案2增加的質(zhì)量為方案1的三倍。由于伴隨肘板自身應(yīng)力水平較低，說(shuō)明它在分擔(dān)相鄰實(shí)肋板載荷方面所起作用有限。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)局部應(yīng)力集中的區(qū)域應(yīng)避免使用方案2這樣的加強(qiáng)措施。加強(qiáng)方案3為非常規(guī)的加強(qiáng)方案，采用去除材料的方式使折角處應(yīng)力重新分布，以達(dá)到降低最高應(yīng)力的效果。通過(guò)開(kāi)設(shè)應(yīng)力釋放孔減少貨艙下折角應(yīng)力集中的方法在船舶行業(yè)不多見(jiàn)，沒(méi)有現(xiàn)成和完善的理論指導(dǎo)，只能通過(guò)有限元計(jì)算校核設(shè)計(jì)方案的可行性，通過(guò)商用優(yōu)化程序?qū)﹂_(kāi)孔的位置和大小進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外該方案還需要對(duì)開(kāi)孔本身的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步研究。有研究表明，以冷作方式開(kāi)孔能夠有效增加開(kāi)孔的疲勞壽命及阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展［4-5］。加強(qiáng)方案4是CSR-H推薦的底邊艙下折角結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方式。增設(shè)艙內(nèi)肘板后，下折角區(qū)域的應(yīng)力分布發(fā)生較大變化，內(nèi)底板及底邊艙斜板的疲勞強(qiáng)度也會(huì)得到較大改善。但是，新增設(shè)艙內(nèi)肘板需要校核肘板趾端的疲勞強(qiáng)度，并且會(huì)較大程度增加船廠工藝和焊趾打磨的工作量，是否采納這樣的加強(qiáng)方案還需得到船廠認(rèn)可。

3 精細(xì)網(wǎng)格的疲勞強(qiáng)度分析

根據(jù)CSR-H關(guān)于疲勞強(qiáng)度校核的要求，對(duì)于底邊艙下折角共有6個(gè)位置的疲勞壽命需要評(píng)估，如圖18所示。

用于疲勞強(qiáng)度校核的精細(xì)網(wǎng)格的網(wǎng)格尺寸為t×t，精細(xì)網(wǎng)格區(qū)域的單元板厚應(yīng)扣除0.5倍腐蝕余量，其他區(qū)域的單元板厚扣除0.25倍腐蝕余量。精細(xì)網(wǎng)格的有限元整體模型如圖19所示。

經(jīng)過(guò)精細(xì)網(wǎng)格有限元計(jì)算，并提取6個(gè)熱點(diǎn)處的熱點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估。計(jì)算結(jié)果表明，在熱點(diǎn)1處的節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度相對(duì)最難滿足。在表3中以加強(qiáng)方案1為例，給出6個(gè)典型熱點(diǎn)處的疲勞壽命。

表3 底邊艙下折角加強(qiáng)方案1各熱點(diǎn)處的疲勞強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果

加強(qiáng)方案2相對(duì)于加強(qiáng)方案1的折角點(diǎn)處結(jié)構(gòu)剛度稍大一些，疲勞強(qiáng)度也更容易滿足，但疲勞壽命改善并不明顯。

加強(qiáng)方案3雖然可以較顯著降低底邊艙下折角點(diǎn)處的最高應(yīng)力水平，但需要評(píng)估應(yīng)力釋放孔自由邊的疲勞強(qiáng)度?？梢酝ㄟ^(guò)熱點(diǎn)應(yīng)力法，在開(kāi)孔自由邊上設(shè)置極小尺寸的桿單元，讀取桿單元的熱點(diǎn)應(yīng)力來(lái)計(jì)算該處的疲勞強(qiáng)度。在本工程案例中，如應(yīng)力釋放孔采用圓孔形式，則疲勞壽命最短的熱點(diǎn)區(qū)域仍為熱點(diǎn)1；如果應(yīng)力釋放孔采用橢圓形形式，則橢圓形開(kāi)孔的自由邊疲勞壽命相對(duì)其他熱點(diǎn)的疲勞壽命相對(duì)稍短，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素。但也同樣均可滿足規(guī)范的衡準(zhǔn)要求。

加強(qiáng)方案4是規(guī)范推薦的設(shè)計(jì)方案。CSR-H規(guī)定：若該處節(jié)點(diǎn)形式符合規(guī)范的細(xì)節(jié)要求，則可免除該處的精細(xì)網(wǎng)格疲勞強(qiáng)度計(jì)算。經(jīng)精細(xì)網(wǎng)格的有限元疲勞評(píng)估，在貨油艙下折角點(diǎn)對(duì)齊實(shí)肋板增設(shè)圓弧形肘板后，下折角各熱點(diǎn)的疲勞年限均超過(guò)90年，這也一定程度上說(shuō)明規(guī)范條文的合理性。

綜上所述，經(jīng)過(guò)精細(xì)網(wǎng)格的有限元疲勞強(qiáng)度評(píng)估，四種加強(qiáng)方案下的底邊艙下折角結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，見(jiàn)表4。

表4 底邊艙下折角四種加強(qiáng)方案下的疲勞壽命評(píng)估結(jié)果

4 結(jié) 論

油船貨艙底邊艙下折角點(diǎn)處是船體結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)域，CSR-H在CSR-OT的基礎(chǔ)上對(duì)該區(qū)域的有限元細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力校核提出強(qiáng)制要求。通過(guò)對(duì)某大型油船底邊艙下折角有限元細(xì)網(wǎng)格計(jì)算發(fā)現(xiàn)，折角點(diǎn)處應(yīng)力集中區(qū)域具有范圍小、應(yīng)力梯度變化大的特點(diǎn)。針對(duì)該區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提出四種加強(qiáng)方案。最終加強(qiáng)后的底邊艙下折角結(jié)構(gòu)均滿足CSR-H規(guī)范的屈服和疲勞強(qiáng)度衡準(zhǔn)。

加強(qiáng)方案1可操作性強(qiáng)。該方案只改變局部板厚，結(jié)構(gòu)修改量小，無(wú)需增加其他熱點(diǎn)的強(qiáng)度校核，因此是設(shè)計(jì)工作中最常用的方案。對(duì)于實(shí)肋板的前后相鄰位置增加伴隨肘板的加強(qiáng)方案2，由于所增設(shè)肘板分擔(dān)局部載荷少，工藝量增加多，也不利于質(zhì)量控制，實(shí)際設(shè)計(jì)工作中應(yīng)避免使用。加強(qiáng)方案3是唯一不必增加構(gòu)件尺寸，而是通過(guò)設(shè)置應(yīng)力釋放孔——通過(guò)去除材料方式降低目標(biāo)區(qū)域應(yīng)力的方法，但需要謹(jǐn)慎考慮高應(yīng)力區(qū)域開(kāi)孔自由邊的疲勞強(qiáng)度問(wèn)題。加強(qiáng)方案4是CSR-H推薦的下折角加強(qiáng)方案之一。雖然這種加強(qiáng)方式增加了船廠工藝，但包括屈服和疲勞強(qiáng)度在內(nèi)的綜合力學(xué)性能較好，設(shè)計(jì)工作中也可以考慮。

綜上所述，如果不考慮船廠工藝因素，加強(qiáng)方案4是諸方案中最為穩(wěn)妥的一種。如果船廠方面對(duì)較多的工藝成本增加持反對(duì)意見(jiàn)，也可考慮方案1和方案3的加強(qiáng)方式。前者結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，但增加質(zhì)量較重；而后者在質(zhì)量控制方面表現(xiàn)良好，但對(duì)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性提出較高的要求，也增加了計(jì)算分析的工作量。雖然在實(shí)船上采用這種新穎結(jié)構(gòu)形式還需要征得船東的同意，開(kāi)孔自由邊處的疲勞強(qiáng)度校核流程以及分析結(jié)果也要取得船級(jí)社的認(rèn)可，但這確實(shí)是值得考慮的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

［1］IACS. Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers［S］. 2010.

［2］IACS.Harmonized Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers［S］. 2014

［3］楊毅敏.某大型油船的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)［C］. 2004年大連國(guó)際海事技術(shù)交流論文集（第1卷），2004.

［4］Hebbal M S，Math V B，Sheeparamatti B G. A study on reducing the root fillet stress in spur gear using internal stress relieving feature of different shapes［J］. International Journal of Recent Trends in Engineering，2009（5）：163-165.

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Multi-scheme optimization design of structure reinforcement for lower hopper knuckle of bottom side tank on oil tankers

YANG Xu1,2GAO Chu2QIU Wei-qiang2
(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2.Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 20001 1, China)

There are mandatory requirements for the direct strength analysis of the fine mesh and the fatigue strength analysis of the very fine mesh of the lower hopper knuckle of the bottom side tank on oil tankers in Harmonized Common Structural Rules(CSR-H). Four structure reinforcement schemes are discussed by performing the fi nite element calculation of the lower hopper knuckle of bottom side tank on large oil tankers. The reinforcement schemes and results obtained in this paper may be taken as reference for the future structure design of the lower hopper knuckle of the bottom side tank on oil tankers complying with the CSR-H.

oil tanker; lower hopper knuckle; fi ne mesh; multi-scheme

U661.43

A

1001-9855（2017）03-0026-10

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.026

2016-12-22；

2017-01-21

楊 旭（1983-），男，工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究。

高 處（1984-），男，工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究。

邱偉強(qiáng)（1975-），男，研究員。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究。