邵宇 上海佳豪船海工程研究設(shè)計有限公司海洋工程設(shè)計中心

1.引言

船體主要構(gòu)件的肘板連接是船舶以及海洋平臺上常見的結(jié)構(gòu)形式，通常布置在船體強力構(gòu)件的端部，起到緩和強力構(gòu)件端部應(yīng)力水平的作用。

目前在船舶及海洋平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，常見的船體主要構(gòu)件端部連接形式主要有四種：

（1）整體式肘板端部連接，常見于散貨船的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（2）三角型肘板端部連接，常規(guī)的船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（3）端部放大式肘板端部連接，常見于上層建筑以及船體非液艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（4）無肘板式端部連接，常見于國外船舶緊湊空間的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

以上四型連接形式參見圖1。

圖1 四型主要船體構(gòu)件端部連接形式

本文利用有限元計算，在相同的局部載荷條件下，得出該四型連接形式各主要結(jié)構(gòu)位置的相當應(yīng)力以及各熱點的熱點應(yīng)力。通過比較相同位置的相當應(yīng)力來了解各型肘板連接形式的在相同局部載荷下的應(yīng)力分布，并通過比較各型肘板結(jié)構(gòu)的疲勞強度來了解它們在相同局部載荷下的不同壽命。

2.計算模型尺度及構(gòu)件布置

模型長：L=14.4 m；模型寬：B=7.2 m；模型高：H=4.2 m；

模型為簡單艙段，縱骨架式，所有甲板、外板、艙壁板板厚取為10 mm，船體縱向艙壁距離外板為4.8 m，縱向強構(gòu)件為型材T10X600/10X250，間距為2.4m，橫向艙壁間距為9.6m，橫向強構(gòu)件為型材T10X600/10X250，間距為2.4 m，縱骨/扶強材為型材HP200X10,間距為0.6 m。

3.計算模型單元類型/邊界條件及載荷

3.1 有限元模型

三維有限元模型包括了船體各主要構(gòu)件，如主甲板、艙壁以及縱向、橫向和垂向的桁材等。計算模型中的甲板板、艙壁板、桁材腹板、面板等均模擬為4節(jié)點或3節(jié)點板單元；普通橫梁、縱骨等均模擬為2節(jié)點梁單元。

計算常規(guī)強度時模型有限元單元網(wǎng)格大小取約300mm。

計算疲勞強度時各熱點附近模型有限元單元網(wǎng)格精細化，網(wǎng)格大小不大于熱點處受力構(gòu)件厚度t。精細網(wǎng)格區(qū)域從熱點位置向外所有方向延伸不小于10t，并平穩(wěn)過渡至粗網(wǎng)格。

3.2 計算載荷及載荷施加

計算模型中施加的局部載荷以及分工況分別為:

1）工況1：垂向載荷，2t/m，作用于甲板面；

2）工況2：側(cè)向載荷，2t/m，作用于外板；

3）工況3：雙向載荷，同時施加垂向載荷2t/m于甲板面以及側(cè)向載荷2t/m于外板。

計算疲勞時，假設(shè)垂向載荷、側(cè)向載荷以及雙向載荷工況在船舶運營期間的時間分配均為30%，無載荷工況時間分配為10%。

3.3 模型邊界條件

于模型邊緣所有節(jié)點約束縱向，橫向和垂向的線位移,即δx=δy=δz=0。

4.有限元計算結(jié)果

4.1 常規(guī)強度計算

通過有限元計算，模擬出船體主要構(gòu)件分別在四型肘板連接形式下，相當應(yīng)力的分布情況（見表1）并比較它們之間的差異。對比所選取的位置分別為肘板范圍附近的強構(gòu)件腹板、面板以及肘板本身的腹板和面板。位置編號見圖2。

圖2 構(gòu)件對比選取位置編號

表1 各種連接形式下的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力對比（ 單位：MPa）

4.2 疲勞強度計算

通過有限元計算，模擬出船體主要構(gòu)件分別在四型肘板連接形式下，各個熱點(熱點位置編號參見圖3)的熱點應(yīng)力，并應(yīng)用有限元熱點應(yīng)力分析法計算出各熱點的疲勞壽命（見表3），進而比較它們之間的差異。

圖3 熱點位置編號

表3 各種連接形式下的熱點應(yīng)力及疲勞壽命的對比

疲勞計算相關(guān)參數(shù)見表2，疲勞壽命計算公式如下：

表2 計算疲勞壽命的相關(guān)參數(shù)

累計損傷度

5.計算結(jié)果分析和討論

5.1 相同載荷條件下，整體式肘板連接結(jié)構(gòu)強度最強，無肘板式連接結(jié)構(gòu)強度最弱

由計算結(jié)果表1可知，無論是垂向載荷工況、側(cè)向載荷工況還是雙向載荷工況，在相同的載荷條件下，盡管相當應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置有所區(qū)別，但是對于連接構(gòu)件端部及肘板本身，所產(chǎn)生的最大應(yīng)力水平狀態(tài)是：整體式肘板連接＜三角型肘板連接＜端部放大式肘板連接＜無肘板式端部連接。其中整體式肘板連接與三角型肘板連接的最大應(yīng)力水平相差很小，端部放大式肘板連接以及無肘板式端部連接的最大應(yīng)力水平則出現(xiàn)了稍大的提升。僅以相當應(yīng)力來衡量，整體式肘板連接結(jié)構(gòu)強度最強，無肘板式連接結(jié)構(gòu)強度最弱。

5.2 相同載荷條件下，端部放大式肘板連接結(jié)構(gòu)疲勞壽命最短，無肘板式連接結(jié)構(gòu)疲勞壽命最長

由計算結(jié)果表3可知，四種連接形式中各不同熱點的總積累損傷度差距很大。各連接形式中的具有最大總累積損傷度的熱點位置（熱點2，熱點4，熱點6，熱點8）可視為代表該連接形式結(jié)構(gòu)的最弱疲勞強度位置。通過這些熱點位置的疲勞壽命比較，可知各連接形式結(jié)構(gòu)的疲勞壽命狀態(tài)是：端部放大式肘板連接(6年)＜整體式肘板連接（13.2年）＜三角型肘板連接（34.2年）＜無肘板式端部連接（133.7年）。僅以結(jié)構(gòu)疲勞壽命來衡量，無肘板式連接結(jié)構(gòu)壽命最長，端部放大式肘板連接壽命最短。

5.3 端部放大式肘板連接結(jié)構(gòu)不適用于高應(yīng)力區(qū)域或具有顯著雙向載荷的區(qū)域

由計算結(jié)果表3可知，端部放大式肘板連接中的熱點6是所有熱點中熱點應(yīng)力最大的，說明該連接形式出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯，所以并不適用于高應(yīng)力區(qū)域。實際設(shè)計中，端部放大式肘板也常見于上層建筑等非高應(yīng)力區(qū)域。

同時對比各連接形式代表性熱點（熱點2，熱點4，熱點6，熱點8）的累積損傷度，可以發(fā)現(xiàn)多數(shù)連接形式的熱點（熱點2，熱點4，熱點8），在雙向載荷條件下的累積損傷度是介于垂向和側(cè)向載荷條件下累積損傷度之間的，這說明雙向載荷條件下會出現(xiàn)部分垂向和側(cè)向載荷累積損傷度的相互抵消。但是端部放大式肘板連接結(jié)構(gòu)的熱點（熱點6），卻是雙向載荷條件下的累積損傷度大于垂向和側(cè)向條件下的累積損傷度，所以可以認為是雙向載荷條件下出現(xiàn)了垂向和側(cè)向載荷累積損傷度的疊加。在CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》中，也明確了端部放大式肘板連接形式僅適用于非液艙形式。對于該說明，通過疲勞強度的觀點來看，也可以理解為液艙的強框架結(jié)構(gòu)會受到顯著的船體垂向壓力和靜水側(cè)向壓力的雙向載荷，所以并不適用會出現(xiàn)累積損傷度疊加的端部放大肘板連接形式。

5.4 無肘板式端部連接形式是在緊湊空間結(jié)構(gòu)設(shè)計中的良好選擇

無肘板式端部連接形式明確出現(xiàn)于DNV 規(guī)范《RULES FOR CALASSIFICATION OF SHIP》中，但是未在CCS相關(guān)規(guī)范中提及，在國內(nèi)船舶實際設(shè)計中該連接形式也很少出現(xiàn)，但常出現(xiàn)于國外設(shè)計的船體緊湊空間結(jié)構(gòu)設(shè)計中。盡管該連接形式在相當應(yīng)力計算中顯示在四種連接形式中應(yīng)力值是最高的，但在疲勞計算中疲勞壽命卻是最長的。所以在實際設(shè)計中，只要該形式的結(jié)構(gòu)強度滿足相關(guān)規(guī)范要求，無肘板式端部連接是在空間利用緊張情況下的很好的選擇。

6.結(jié)語

整體式肘板連接和三角型肘板連接形式是船舶及海洋平臺上最常見的設(shè)計，依據(jù)常規(guī)強度及疲勞強度的計算結(jié)果來看，也是同等載荷條件下相當應(yīng)力較小且疲勞壽命適中的結(jié)構(gòu)形式。端部放大肘板形式可以用于替代前兩種連接形式并節(jié)省空間，但是不適用于高應(yīng)力區(qū)域及顯著雙向載荷區(qū)域。無肘板式端部連接可在滿足強度要求時應(yīng)用于船舶及海洋平臺結(jié)構(gòu)的緊湊空間設(shè)計中。船體設(shè)計師應(yīng)該結(jié)合實際，善于切換以上四型船體主要構(gòu)件的端部肘板連接形式，使船體結(jié)構(gòu)得到最優(yōu)化的設(shè)計。