，，，

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.上海中船船舶設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 200001)

在船體結(jié)構(gòu)中，應(yīng)力集中是引起結(jié)構(gòu)疲勞損傷的主要原因。日本船級(jí)社對(duì)上世紀(jì)80年代中期采用高強(qiáng)度鋼建造的第二代VLCC的資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)76艘船舶中有65艘出現(xiàn)不同情況的破損，其中縱骨與強(qiáng)框架或橫艙壁連接處的疲勞損傷情況尤為嚴(yán)重，約占統(tǒng)計(jì)的全部損傷的70%。目前大型船舶廣泛地使用雙層底結(jié)構(gòu)，而雙層底結(jié)構(gòu)的內(nèi)部始終存在較高的壓差，因此其疲勞問(wèn)題比單殼船體更為嚴(yán)重[1]，需要對(duì)船舶雙層底結(jié)構(gòu)骨材貫穿孔區(qū)域開展疲勞評(píng)估工作。

目前最主要的疲勞校核方法是基于S-N曲線的累積損傷法[2-3]，該方法需要準(zhǔn)確地確定應(yīng)力集中系數(shù)。有學(xué)者基于ABS油船規(guī)范，根據(jù)開孔形式的不同以及補(bǔ)強(qiáng)形式的差異建立多個(gè)仿真模型進(jìn)行計(jì)算，給出了典型骨材貫穿孔的應(yīng)力集中系數(shù)表[4]；針對(duì)FPSO舷側(cè)區(qū)域骨材開孔的疲勞問(wèn)題，設(shè)計(jì)5種不同的試驗(yàn)方案開展了全尺寸模型試驗(yàn)，并給出了S-N疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)曲線。[5]針對(duì)船體結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件在實(shí)際航行過(guò)程中的受力情況，選取船體典型結(jié)構(gòu)的骨材開孔形式開展試驗(yàn)和有限元數(shù)值仿真研究，并對(duì)試驗(yàn)和有限元數(shù)值仿真的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)構(gòu)在承受典型彎曲載荷時(shí)，開孔形式的不同以及補(bǔ)強(qiáng)形式的差異對(duì)孔邊應(yīng)力分布情況的影響。

1 試驗(yàn)及數(shù)值仿真

1.1 試件尺寸

在船體雙層底結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作局部結(jié)構(gòu)縮尺簡(jiǎn)化模型，見圖1(以試件NT2-CP1-FB1為例)，模型由內(nèi)外底板、帶有開孔的實(shí)肋板和貫穿骨材組成，模型肋板上下各有3個(gè)貫穿孔。為了更好地分析有無(wú)補(bǔ)板、有無(wú)扶強(qiáng)材，以及不同孔型對(duì)孔邊應(yīng)力分布的影響，設(shè)置6組試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，編?hào)分別為NT2-CP0-FB0、NT2-CP1-FB0、NT2-CP0-FB1、NT2-CP1-FB1、YB1-CP0-FB0、T1-CP0-F0。其中NT2、YB1、T1表示3種不同的孔型(見圖2)，CP0代表無(wú)補(bǔ)板，CP1代表有補(bǔ)板，F(xiàn)B0代表無(wú)扶強(qiáng)材，F(xiàn)B1代表有扶強(qiáng)材。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ途唧w尺寸見表1。

表1 局部模型尺寸

1.2 試驗(yàn)加載方案及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)在YNS1000電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)主要考察加載于縱骨處的三點(diǎn)彎載荷下孔邊應(yīng)力的分布情況。試驗(yàn)裝置見圖3。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚇T2-CP1-FB1尺寸及結(jié)構(gòu)模型

圖2 各孔型參數(shù)

圖3 試驗(yàn)裝置布置

采用三點(diǎn)彎的加載模式來(lái)模擬船舶航行時(shí)骨材貫穿孔區(qū)域的受力情況。試件加載情況及各開孔的編號(hào)見圖4。各模型所施加載荷分別為10、20、30及40 kN。

圖4 加載方案與開孔編號(hào)

在孔邊布置三向應(yīng)變以獲得試驗(yàn)過(guò)程中孔邊應(yīng)力分布情況。以前期仿真計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，確定NT2孔型、YB1孔型和T1孔型孔邊布片方案，見圖5。

其中，NT2孔型方案在有補(bǔ)板情況下孔邊布置9個(gè)應(yīng)變花，其中B、D、G分別對(duì)應(yīng)半腰圓1/4圓弧的45°處，A、E、F為腰圓圓弧與線段過(guò)渡處，C、H分別位于x軸與開孔的交點(diǎn)處，I點(diǎn)位于補(bǔ)板與孔邊交點(diǎn)位置(無(wú)補(bǔ)板時(shí)不布片)?？紤]扶強(qiáng)材開孔處也存在孔邊應(yīng)力，故布置編號(hào)為K的應(yīng)變花于其半圓部分的90°位置處，如圖5(b)。YB1孔型布置方案與NT2孔型無(wú)補(bǔ)板布置方案相同，其孔邊布置8個(gè)應(yīng)變花。T1孔型布置7個(gè)應(yīng)變花，編號(hào)A～G分別位于開槽孔的-40°、-20°、0°、45°、90°、135°和180°。由于三點(diǎn)彎加載位置分別位于A1、A3、B2處，結(jié)合有限元預(yù)分析可知，上述3個(gè)開孔位置應(yīng)力值大于其余開孔位置。因此，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性同時(shí)提高試驗(yàn)效率，選取A1孔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.3 有限元模型

根據(jù)試驗(yàn)工況，通過(guò)有限元軟件ABAQUS建立有限元分析模型，進(jìn)行仿真計(jì)算。模型試件材料為船用低碳鋼，彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。采用4節(jié)點(diǎn)縮減積分板殼單元(S4R)建立模型，選取全局網(wǎng)格尺寸5 mm×5 mm。

圖5 應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)布置

數(shù)值仿真分析中的約束及加載情況均以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，模型試件與兩支墩接觸處固定y、z方向的平動(dòng)和x方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在參考點(diǎn)上施加垂向集中力,有限元模型見圖6。

2 試驗(yàn)及仿真結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖6 試驗(yàn)試件有限元模型

如圖7所示，試驗(yàn)得到了4種加載工況下的孔邊應(yīng)力分布情況。

圖7 彎曲試驗(yàn)各試件孔邊應(yīng)力分布情況

由試驗(yàn)結(jié)果可見，試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂走叴嬖诿黠@應(yīng)力集中現(xiàn)象，彎曲載荷作用下各個(gè)孔的孔邊最大應(yīng)力值多數(shù)出現(xiàn)于0°附近；試件的孔邊應(yīng)力值與試件所承受的載荷大小存在一定的正相關(guān)關(guān)系，載荷越大孔邊應(yīng)力值越大，且應(yīng)力集中區(qū)域線性關(guān)系更為明顯。

加試件補(bǔ)板可有效降低開孔邊最大集中應(yīng)力，但在此類彎曲載荷情況下，增設(shè)補(bǔ)板會(huì)造成補(bǔ)板與實(shí)肋板接觸區(qū)域應(yīng)力上升；對(duì)扶強(qiáng)材高應(yīng)力點(diǎn)數(shù)據(jù)測(cè)量表明，扶強(qiáng)材對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)處也是高應(yīng)力集中位置，因此對(duì)此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中也需要考慮扶強(qiáng)材設(shè)置形式。

2.2 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

6組模型的孔邊應(yīng)力分布見圖8，從圖中可以清楚地發(fā)現(xiàn)孔的孔邊應(yīng)力值最大處多位于0°附近，這與試驗(yàn)結(jié)果較為一致。

圖8 各試件孔邊應(yīng)力分布云圖

2.3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)比彎曲載荷40 kN時(shí)A1孔孔邊應(yīng)力，見圖9。

對(duì)各組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：①各開孔孔邊應(yīng)力分布情況較為一致，最大應(yīng)力集中區(qū)域主要集中在0°附近；②由于部分結(jié)構(gòu)存在焊接變形，試件上下板面并非完全平整，導(dǎo)致在試驗(yàn)時(shí)支棍與試件接觸區(qū)域，支棍不能完全貼合于骨材，試件在孔邊高應(yīng)力區(qū)域產(chǎn)生的變形使得z軸方向也受力，最終導(dǎo)致區(qū)域應(yīng)力值整體偏高，故試驗(yàn)所測(cè)孔邊應(yīng)力值普遍略高于有限元計(jì)算值；③在此類三點(diǎn)彎載荷作用下，通過(guò)增設(shè)扶強(qiáng)材可以有效降低開孔孔邊應(yīng)力，但扶強(qiáng)材處會(huì)出現(xiàn)新的熱點(diǎn)；④增設(shè)補(bǔ)板同樣可以起到降低孔邊應(yīng)力的作用，但會(huì)造成骨材與實(shí)肋板連接處焊縫的應(yīng)力升高。而焊縫處的疲勞強(qiáng)度是要低于母材的，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中需對(duì)不同區(qū)域受力情況進(jìn)行分析以確定最佳方案；⑤在各試驗(yàn)結(jié)果中，無(wú)補(bǔ)板、無(wú)扶強(qiáng)材類的試件與數(shù)值仿真吻合度最好，主要是由于該類的試件焊接變形較其他情況要小，因而試驗(yàn)中的實(shí)際受力情況與數(shù)值仿真也更為接近。

圖9 4 kN載荷情況下A1孔孔邊應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

1)模型試驗(yàn)所獲得的孔邊應(yīng)力分布與數(shù)值仿真結(jié)果具有相同的規(guī)律及趨勢(shì)，說(shuō)明數(shù)值仿真方法對(duì)骨材開孔孔邊應(yīng)力集中系數(shù)分析可行。

2)通過(guò)試驗(yàn)以及有限元分析，發(fā)現(xiàn)相同開孔孔型與補(bǔ)強(qiáng)形式下孔邊應(yīng)力分布情況與載荷大小之間存在一定正相關(guān)關(guān)系，這表明開孔的孔邊應(yīng)力集中情況主要與開孔的孔型和補(bǔ)強(qiáng)方式有關(guān)，與載荷大小并無(wú)明顯關(guān)系。

3)通過(guò)增設(shè)補(bǔ)板、扶強(qiáng)材可以有效地降低孔邊集中應(yīng)力值，但是增設(shè)補(bǔ)板會(huì)造成補(bǔ)板與腹板連接區(qū)域應(yīng)力上升，而增設(shè)扶強(qiáng)材會(huì)造成扶強(qiáng)材處產(chǎn)生新的高應(yīng)力集中熱點(diǎn)。

4)受研究周期所限，研究工作并沒(méi)有針對(duì)更為廣泛的孔型開展更為細(xì)致深入的工作，后續(xù)可以針對(duì)其他孔型和其他載荷(如壓載)進(jìn)行研究，為新式開孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。