基于子模型细化分析的VLCC底边舱上折角半档肘板选型

潘卢毅， 林 莉

(中国船级社规范与技术中心， 上海 200135)



基于子模型细化分析的VLCC底边舱上折角半档肘板选型

潘卢毅， 林 莉

(中国船级社规范与技术中心， 上海 200135)

超大型油船VLCC都应满足国际船级社协会IACS双壳油船共同结构规范(CSR-OT)的相关要求，船体结构中的高应力区域都需按CSR规范要求进行有限元细化分析。通过实际船舶审图工作的经历，总结了使用子模型细化分析手段校核高应力区域结构强度的方法，并使用该方法分析了位于某型VLCC 1/2强框架底边舱上折角处的4种典型肘板形式，为此类无规范要求的构件提供了校核方法。最终基于有限元分析FEA细化分析结果，提出了该处肘板结构选型的优化建议。

子模型细化分析； VLCC； 半档肘板； 选型； CSR规范

0 引言

超大型原油船(VLCC)总长在333 m左右，总载重吨30×104t以上，是当前世界油运市场上的主力船型。目前国际船级社协会(IACS)下属的各船级社均以共同结构规范(Common Structural Rules， CSR)作为VLCC审核入级的依据。CSR对货舱区域的大部分高应力部位都强制要求进行有限元细化分析，但依然有一些部位的结构设计未被规范要求所涵盖，比如底边舱上折角1/2强框架处的节点形式。

为改善VLCC底边舱上折角的应力分布和疲劳寿命，通常会在位于1/2强框架处的底边舱上折角设置上下小肘板，如图1所示，但作者在审图中按规范要求对其附近的结构进行有限元细化分析时发现：小肘板本身的应力很大，不能满足细化衡准，故引发对该部位半档肘板本身安全性的思考。本文按照CSR规范中细化分析相关要求，使用子模型细化分析方法对该处肘板进行有限元强度校核，并对如何确定该肘板的尺寸和结构选型提出了建议。

图1 VLCC底边舱上折角半档肘板

1 半档肘板的作用与常见型式

VLCC中部货舱的强框架间距通常为5～6 m[1]，因此两框架之间承受侧向载荷的板与纵骨的跨度非常大。为保证两档强框架之间结构的强度，通常会在VLCC的底边舱内壳上折角的1/2强框架处设置半档肘板，以限制该处的结构变形，减小应力集中现象。通过设置半档肘板，减小了板格长度，还有助于提高内壳板格的抗屈曲能力。但在近几年的VLCC船型中也出现了不设半档肘板的设计案例，并在多家船级社获得审核认可。

在审图工作中通常接触到多型VLCC的半档肘板形式，分别有如图2所示的A型、B型、C型3种。D型为构想形式。

图2 4种形式半档肘板

A型：全肘板，在折角上下均设圆弧形肘板，肘板尺寸较小且沿肘板自由边无折边板。

B型：半肘板，仅在折角下方设直形肘板，肘板尺寸较大且沿肘板自由边设有折边板。

C型：无肘板，上下均不设肘板。

在分析过程中，结合A型和B型半档肘板形式的优点提出了D型构想：强化全肘板，上下均设肘板及折边板，且肘板尺寸较大。

对于上述1/2强框架处的底边舱上折角节点形式，CSR规范中没有描述性规范要求，但要求强制细化分析或细化筛选分析[2]，如果在有限元舱段模型评估(粗网格评估)时，该部位未超出衡准，则认为是可行设计。在粗网格评估时，有限元网格尺寸通常约为800 mm，而半档肘板的几何尺寸不超过500 mm，仅能用梁单元进行模拟。粗网格模型的网格尺寸和单元形式不能精确描述半档肘板的几何形状，无法反映半档肘板本身的实际应力分布。

对于以上4型底边舱上折角节点形式，内壳板处的屈服强度和屈曲强度均能满足CSR规范粗网格评估衡准要求。然而在多型VLCC实船审核的细化分析中却有了新的发现，即部分区域存在安全隐患。

(1) A型节点形式中半档肘板的尺寸无法满足CSR规范的细化衡准要求；

(2) 当采用C型无肘板形式时，底边舱内壳上折角的1/2档强框架处不满足CSR规范的细化衡准要求。

为此，对以上4型半档肘板逐一进行细化分析，通过相互比较，从中选择最优的节点设计形式。

2 半档肘板细化模型的建立

CSR规范中的有限元细化分析，是指在对三舱段有限元模型完成粗网格评估后，采用更精细的网格尺寸(50 mm×50 mm)对关心区域进行分析。细化分析的计算工况和载荷模式均与粗网格评估一致。使用中国船级社自主研发的CSR直接计算校核工具CCS-Tools，对半档肘板及相邻的底边舱内壳上折角区域进行细化分析[3]和评估。

通过细化网格精确模拟上述4型半档肘板(包括扇形孔)，并分别将它们设置在同一型VLCC的舱段有限元模型中，各肘板设置为同一板厚，材料为13AH32钢。同时，为了考察半档肘板对1/2框架处底边舱内壳上折角的强度贡献，还进行了肘板支撑处底边舱内壳上折角的细化分析。按CSR规范要求，细化区域不少于10个网格范围。

细化分析所选取位于VLCC中部货舱的制荡舱壁和端部舱壁之间，即船体梁变形和局部变形最大处的半档肘板，以校核最危险位置处肘板及上折角的应力。图3为细化模型。

图3 细化模型

完成细化模型后，在确保计算精度的前提下，为减小计算成本，本文采用子模型法，即从舱段有限元模型(主模型)中截取出包含细化区域的局部模型进行细化分析。子模型的切割边界应足够远离细化区域并设置在强构件处，以避免边界约束对分析区域的影响。通过CCS-Tools，将主模型中的外载荷映射到局部模型上，并把原有模型切割边界上的位移作为位移强制约束施加到局部模型的边界上[4]，重新进行分析求解。本文以端部横舱壁和油密纵舱壁为边界，截取横向1/3货舱段作为细化分析对象，如图4所示。

图4 1/3货舱段有限元模型

表1 AH32钢的细化网格分析最大许用膜应力

3 细化评估分析与比较

对于半档肘板的细化评估应关注以下2点：

(1) 内壳板在半档强框架处的强度安全，以确定半档肘板的强度贡献和设置的必要性；

(2) 半档肘板本身的强度安全，以确定最优的肘板形式。

3.1 1/2强框架处底边舱内壳板的强度

4型半档肘板形式下，1/2框架处底边舱内壳上折角处的应力结果汇总如表2所示，该处的应力衡准按“邻近焊缝的单元”选取。A型全肘板和D型强化全肘板，折角处应力水平都满足细化衡准要求。B型半肘板在未设肘板支撑的折角上方部分超出应力衡准，C型无肘板则在全部折角范围内超出应力衡准。

表2 1/2强框架处底边舱内壳上折角板的应力水平汇总

通过对比发现，半档肘板对于1/2强框架处底边舱上折角的结构强度有贡献，且肘板越强贡献越显著。当采用D型强化全肘板时，相比于C型无肘板，最多可使内壳板的应力极值下降37.4%。因此，半档肘板的设置是非常有必要的。

此外，对于仅设下半部肘板的B型半肘板，虽然上折角处仍然有部分应力超出衡准，但应力极值和应力集中范围显著减少(见图5)，在工程误差范围内也可作为一种可行的设计。

图5 B型和C型肘板上折角处应力超衡准区域比较

3.2 半档肘板的强度

在明确半档肘板对底边舱内壳上折角板的结构贡献后，进一步考察肘板本身的结构强度安全。A型、B型和C型3种半档肘板在S与S+D工况下，本身的应力极值分布如表3所示，高应力集中出现的部位及其应力分布如图6所示。

3.3 半档肘板的选型与优化

由表3可知，A型半档肘板的上肘板弧形趾端和下肘板弧形自由边都出现了严重应力集中，在实船运营中存在着较大安全隐患，肘板一旦破坏，裂纹会进一步延伸到周边结构形成更大损伤。

为保证半档肘板本身的结构安全，通常有增加板厚与加大结构尺寸2种方法。根据A型肘板现有的应力集中情况，至少需将现有板厚增加86%，即加厚至22 mm(AH36钢)，而实际工程应用中通常不会设置如此厚的肘板。根据实际审图经验，在局部结构加强时仅加大单一结构的板厚，应力极值并不会随着板厚增加而线性下降，而是会出现边界递减效应。因此，加大肘板尺寸的方式较为可行。

在保障检验通道足够通行空间的前提下，D型强化全肘板是全肘板形式所允许的最大尺寸。在同样的肘板厚度下：上肘板弧形趾端加大，可以降低弧形自由边的应力极值51.3%，但依然超出衡准21.8%；下肘板取消弧形，自由边设置折边板，可以消除该处应力集中。然而随着上肘板加大，根部约束过多，导致在下肘板与内壳上折角相交处形成了新的应力集中，超出衡准26.2%。可见，一味加大结构尺寸，并不能解决半档肘板本身的强度安全问题。

B型半肘板，仅在下肘板与内壳上折角相交的扇形孔处有应力集中，由于此处可以自由变形，其应力极值比D型强化全肘板大幅降低，能够满足细化衡准要求。

表3 3型肘板的应力分布汇总

图6 肘板本身应力分布情况

4 结论

通过对某型VLCC的半档处底边舱上折角采用不同肘板形式下的细化分析，可以得到以下结论：

(1) 半档肘板对于1/2强框架处底边舱内壳上折角处结构强度确有显著贡献。在不设半档肘板时，1/2强框架处内壳上折角处不能满足规范的细化衡准要求。

(2) 若设置半档肘板，传统的小肘板设计依然不能保证其本身的强度安全，一旦被破坏可能进一步撕裂周边结构，而过大的上肘板容易形成硬点。

(3) 单设下肘板的半档肘板形式，能有效改善1/2强框架处底边舱内壳上折角处的应力极值和高应力区域，其本身的强度能满足规范要求，是一种较优化的结构形式。

[1] 林莉，王刚，蔡承德. 超大型油船VLCC的结构设计和强度[J]. 船舶，2003,1：30-34.

[2] CCS. 钢质海船入级规范(2015)[M].北京：人民交通出版社，2015.

[3] 詹志鹄，吴晓源，崔维成，等. 船体折角型节点有限元细化分析的程序化方法[J].中国造船，2008,49(1):47-53.

[4] 周宇. 基于子模型的铁路车辆结构强度精细计算[D].大连：大连交通大学，2008.

Type Selection of Upper Hopper Knuckle Bracket at 1/2 Web Frame of VLCC Based on Sub-model Fine Mesh Analysis

PAN Luyi， LIN Li

(CCS Rules & Technology Center, Shanghai 200135, China)

VLCC must meet the requirements of the IACS double hull oil tanker common structural rules (CSR-OT), hull structure in high stress regions are required by the CSR to make the fine mesh analysis. According to the actual plan approval experience, the method of checking the structure strength in high stress region with sub-model fine mesh analysis is summarized, and 4 typical types of upper hopper knuckle brackets at 1/2 web frame of VLCC are analyzed. An approval method for similar structures without requirements of the Rules is provided. Based on the results of fine mesh analysis, the optimization type selection of this bracket is put forward.

sub-model fine mesh analysis；VLCC；1/2 web frame bracket；type selection； CSR

潘卢毅(1986-)，男，工程师，中国船级社规范与技术中心验船师

1000-3878(2017)02-0016-07

U661

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