黃曉豐

(上海歐得利船舶工程有限公司, 上海200023)

0 引 言

常規(guī)油船的泵艙前端壁通常為垂直平板艙壁，如圖1所示。隨著壓載水處理裝置的使用，泵艙布置設(shè)計較常規(guī)發(fā)生變化，需要更大的空間。為滿足設(shè)備的布置要求，需對泵艙進行優(yōu)化設(shè)計[1]，通常將泵艙向污水艙延伸，使泵艙前端壁呈現(xiàn)階梯形狀，如圖2所示?，F(xiàn)行IACS《油船和散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》[2](下文稱“規(guī)范”)對于此類階梯型艙壁上的次要支撐構(gòu)件的彎矩因數(shù)并未作出明確規(guī)定，給設(shè)計工作及工程實踐帶來諸多不便。本文以采用此種結(jié)構(gòu)形式的一型油船泵艙為例，通過有限元計算方法對階梯型艙壁次要支撐構(gòu)件的彎矩因數(shù)取值進行研究，使該處的結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求，且具有一定的強度儲備[3]，同時提出此類階梯型艙壁的設(shè)計方案及注意事項，為實際工程應(yīng)用提供參考[4]。

圖1 泵艙前端平直艙壁

圖2 泵艙前端階梯型艙壁

1 次要支撐構(gòu)件彎矩因數(shù)規(guī)范要求

規(guī)范第6.6節(jié)對局部和次要支撐構(gòu)件的尺寸作出要求，第6.3.2.1節(jié)給出次要支撐構(gòu)件所要求的彎矩因數(shù)，如表1所示。

表1 彎矩因數(shù)取值表

對于承受側(cè)向壓力、點載荷或其他載荷組合的加強筋，要求凈剖面模數(shù)應(yīng)為所有設(shè)計載荷組合計算所得結(jié)果的最大值，最小凈剖面模數(shù)Z應(yīng)不小于

(1)

式中：P為考慮設(shè)計載荷組合下，計算點計算所得設(shè)計壓力，kN/m2；s為次要支撐構(gòu)件間距，mm；lbdg為有效彎曲跨距；fbdg為彎矩因數(shù)；Cs為考慮設(shè)計載荷組合下的許用彎曲應(yīng)力因數(shù)；χ為對不同工況的修正因數(shù)，在完整工況下，χ=0.90(對于連接在散貨船貨艙內(nèi)的內(nèi)底板或底邊艙斜板上的骨材)，χ=1.00(對于其他情況)；ReH為所考慮扶強材材料的最小屈服應(yīng)力，N/mm2。

垂直型艙壁的次要構(gòu)件主要承受側(cè)向線性變化壓力載荷。根據(jù)規(guī)范要求：兩端剛性固定的扶強材在三角形分布載荷作用下，構(gòu)件最下端適用的彎矩因數(shù)fbdg=10；一端剛性固定一端簡支固定的扶強材在三角形分布載荷作用下，構(gòu)件最下端適用的彎矩因數(shù)fbdg=7.5。規(guī)范還指出，對于端部約束減弱、載荷變化或者作為板架一部分的骨材，須進行直接計算校核。

2 階梯型艙壁次要支撐構(gòu)件彎矩因數(shù)取值

為保證階梯形艙壁結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計節(jié)點的強度安全，有必要對階梯型艙壁次要支撐構(gòu)件的彎矩因數(shù)進行分析。圖2中泵艙前端壁存在兩處艙壁折角點，其余兩段平直艙壁的另一端分別連接主甲板和內(nèi)底板。主甲板和內(nèi)底板屬于強構(gòu)件，艙壁與其連接的位置可作為剛性固定端。為研究階梯型艙壁次要構(gòu)件彎矩因數(shù)的取值規(guī)律以及解決此類設(shè)計問題的其他方法，本文采用有限元法對階梯型艙壁的次要支撐構(gòu)件尺寸進行直接計算校核，并對階梯型艙壁次要支撐構(gòu)件的彎矩因數(shù)取值進行對比驗證[5]。

取階梯型艙壁的次要支撐構(gòu)件為分析對象，建立三維有限元模型[6]，如圖3所示。為計算階梯型艙壁上的次要構(gòu)件尺寸，以艙壁水平桁支撐處和兩折角點處為扶強材端點量取跨距、共計5段，扶強材編號如圖3所示。將階梯型艙壁的上下兩端取為剛性固定端,將水平桁處取為簡支固定端，折角處的邊界條件視設(shè)計情況而定。

圖3 階梯型艙壁的次要支撐構(gòu)件三維有限元模型

2.1 階梯型艙壁次要支撐構(gòu)件計算結(jié)果分析

設(shè)計之初，假設(shè)在階梯型艙壁的折角處設(shè)置了平臺或強有力的水平桁支撐艙壁扶強材，則可認(rèn)為折角處為剛性固定邊界。模型邊界條件和載荷分布如圖4和圖5所示。根據(jù)規(guī)范公式(1)的計算方法，采用彎矩因數(shù)fbdg=10計算階梯形艙壁上所有垂直扶強材尺寸大小。然后建立有限元模型，對根據(jù)前述方法取得的構(gòu)件尺寸進行計算校核，計算結(jié)果如表2所示。從表2的計算結(jié)果可見，采用彎矩因數(shù)fbdg=10取得的構(gòu)件尺寸在折角處剛性固定的條件下滿足規(guī)范要求。

圖4 折角處為剛性固定約束的邊界條件

圖5 線性載荷分布

表2 艙壁正中間一列扶強材應(yīng)力計算結(jié)果

由于管系布置或空間原因無法在折角處設(shè)置強支撐構(gòu)件的情況下，折角處結(jié)構(gòu)的邊界約束并非剛性固定，模型中折角處的邊界約束須釋放掉，以反映真實的折角處相鄰扶強材之間的相互支撐關(guān)系，有限元模型邊界條件如圖6所示，可見載荷分布與圖5一致。

圖6 折角處無約束的邊界條件

根據(jù)表2的計算結(jié)果，采用彎矩因數(shù)fbdg=10取得的構(gòu)件尺寸在折角處無端部約束的情況下，1#、3#、4#扶強材的合成應(yīng)力值超過了許用應(yīng)力值，不能滿足規(guī)范要求。從圖7所示的扶強材變形圖可以看出，在單側(cè)載荷的影響下，1#、2#、3#扶強材整體呈塌陷狀， 2#扶強材的整體位移偏大。

圖7 扶強材變形圖

2.2 階梯型艙壁次要支撐構(gòu)件彎矩因數(shù)取值改進

綜上可見，彎矩因數(shù)fbdg=10不適合作為折角處相連構(gòu)件的剖面模數(shù)計算輸入值，在不能設(shè)置水平桁或者平臺等強構(gòu)件對艙壁折角處進行水平支撐的情況下，只能通過增大扶強材的構(gòu)件尺寸保證結(jié)構(gòu)安全。經(jīng)過迭代試算，當(dāng)彎矩因數(shù)取fbdg=3時，對應(yīng)的扶強材尺寸經(jīng)有限元驗證可滿足規(guī)范要求，計算結(jié)果如表3所示。從表3可見，在僅增加1#、2#、3#扶強材構(gòu)件尺寸的情況下，其本身剛度變大，扶強材之間相互支撐的作用增強， 4#扶強材的應(yīng)力水平也顯著下降。

表3 艙壁正中間一列扶強材增加尺寸后的應(yīng)力計算結(jié)果

3 結(jié) 論

現(xiàn)行IACS《油船和散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》中次要支撐構(gòu)件的有效剖面模數(shù)計算公式適用于垂直艙壁上支撐構(gòu)件的設(shè)計，對階梯型艙壁次要支撐構(gòu)件的彎矩因數(shù)未作任何規(guī)定，規(guī)范雖提及對于端部約束減弱等情況的骨材須進行直接計算校核，但是哪些屬于端部約束減弱的情況，主要依靠審圖師和設(shè)計人員的主觀判斷。本文針對階梯型艙壁可能存在的設(shè)計隱患，對其次要支撐構(gòu)件進行有限元計算，提出一種階梯型艙壁次要支撐構(gòu)件彎矩因數(shù)取值的改進方法。

對于階梯型艙壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，折角處的節(jié)點設(shè)計尤為重要。當(dāng)折角處設(shè)置了平臺或強有力的水平桁時，對相連扶強材可形成有效支撐，計算扶強材尺寸時可視為剛性固定邊界，彎矩因數(shù)取fbdg=10。如因布置或空間原因無法在折角處設(shè)置強支撐構(gòu)件時，扶強材的邊界條件近似為彈性簡支固定，計算扶強材尺寸時彎矩因數(shù)可取fbdg=3，或者采用直接計算方式評估扶強材強度，通過適當(dāng)加大折角處相連扶強材的尺寸，保證結(jié)構(gòu)安全。該取值改進方法為解決相關(guān)工程設(shè)計問題提供了一定的參考。