大开口船舱口角隅应力集中问题研究

况时 e = 2+ 2 的值很小, 船舶一般不会在此种
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图 6 拉载 荷与左剪切载荷在各种组合下 等效应力集中系数曲线
情况下出现屈服破坏, 故此种情况意义不大。 3) 在不同载荷组合下, 高应力集中区沿释放孔
右侧边缘上下移动, 这一现象有助于提高船体的抗 疲劳性能。计算结果表明, 拉( 压) 载荷的比重越大, 高应力区越沿释放孔右边缘向 A 点移动( 见图 4) 。 而剪切载荷的比重越大, 高应力区越沿释放孔右边 缘向 孔的 中 点 B 点移 动。 本例 中移 动 幅 度 ( dist ance) 为孔边缘长度的 1/ 10 左右。因 而使应力集 中分散在一个小长度上轮流出现, 有利于提高船体 结构的抗疲劳强度。
对于不对称的舱口角和开孔, 无法通过弹性力 学的解析方法计算和研究其应力集中[ 3, 4] , 但可以 方便地使用有限元数值方法, 采用精细的有限元网 格模拟舱口角的局部结构和应力释放孔的形状, 计 算出应力分布和应力集中值, 对舱口角应力释放孔 边的应力集中现象进行系统深入的观察。
在船舶总体变形下, 舱口角前方的甲板主要受 到平面内的拉( 压) 和剪切两种应力, 前者是由垂直 及水平纵弯曲和扭转翘曲约束所引起, 后者主要由 扭转引起。由于拉压应力和剪切应力在甲板几何形 状突变处有不同的分布, 因而有不同的应力集中效
图 4 释 放孔边缘与高应力区示意图
表 1 显示了在拉( 压) 力作用下各种孔形的最大
应力集中值的比较, 其中: 平均应力
=
P t
;
应力集
中系数 = emax ; P 为 拉( 压) 线载荷值; t 为板厚
值; e 为等效应力值。
表 1 纯拉载荷下各种孔形时最大应力集中系数
无应力释放孔 椭圆深孔 椭圆浅孔 半圆孔 ( r= 0. 0) ( r= 2. 78) ( r= 1. 67) ( r= 1. 0)
作为一种思路, 现提出一种加厚板为如图 8 形 状。考虑到如 果加厚板的板厚 比甲板板厚厚 很多 时, 即不改变加厚板的大小尺寸, 只是将板厚设计成 由舱口角边缘向四周( 图 8 中尖头方向) 逐渐递减的 形式。
取应力释放孔边缘厚度为 60mm , 加厚 板边缘 厚度为 25mm, 计算如果见表 4:
7 加厚板对应力分布的影响研究
根据中国船级社规范中的建议, 对在强力甲板 上, 舱口角周围加加厚板[ 5] 。加厚板的尺 寸见图 8 ( 图中阴影部分代表加厚板) 。其中: a1= 1. 5m, a2 = 1. 5m, b1= 2m, b2= 1. 0m
根据中国船级社规范中的建议: 对于邻接机舱 的货舱, 其舱口角隅处的加厚板应较强力甲板增厚 25% , 且增厚值应不小于 4mm, 其材料应与强力甲
果, 所以需要分别研究, 并考察其组合的情况。在波 浪力的作用下, 船体同时发生弯曲和扭转, 因而甲板 的拉压和剪切应力不停地变化和组合, 其应力释放 孔周边的应力集中位置与大小也不停地变化, 需要 研究实际可能的各种情况。
2 研究用的计算模型
本研究工作所设计的模型尺寸, 外力及组合是 参考了一艘 5 万吨大开口船的有关数据, 这样使得 研究对象与实际船体相符合。参考中国船级社规范 ( CCS) 的建议[ 5] , 讨论了加加厚板对应力分布的影 响。从理论计算的角度, 并提出了一种新的加厚形 式。由于应用力释放孔周边的应力集中现象具有共 通性, 本研究得到的结果将对其它吨位的大开口船 具有同样的实际参考价值。
位置上下移动不明显。应力释放孔对减小集中应力
系数效果不明显。表 2 显示在纯剪切载荷作用下各 种孔形的最大应力集中值的比较, 其中: 平均应力
=
N t
; 应力集中系数
=
emax ; N 为左 ( 右) 剪切线
载荷值; t 为板厚值; e 为等效应力值。
表 2 纯剪切载荷下各种孔形时最大应力集中系数
8 结论
1) 在船舶舱口角隅处, 采用应力释放孔结构, 可以将高应力区由舱口角隅处转移到孔边缘附近, 舱口角隅处的应力集中有一定程度减小, 但没有显 著的效果, 应力集中系数只能减小 15% ~ 30% 。
2) 拉压载荷 对舱口角隅处应力集中的敏感 程度没有剪切载荷 强。
3) 作为比较, 计算了一个没有舱壁的纯甲板的 模型。通过与忽略舱壁影响的计算模型的计算结果 比较, 发现纵舱壁可以承担部分拉压载荷, 但对承担 剪切载荷作用方面效果很差。应力释放孔的深度 r 的值越大, 在拉压载荷时, 舱口角隅处产生的应力集 中越小。在剪切载荷作用下, 横舱壁承担部分应力 载荷, 并且孔深 r 值越大, 其作用越显著, 当释放孔 r 的值过大时, 舱口角处产生的应力集中会增大。
切取船舶后舱口角处前、后足够大的一片甲板 作为计算模型区( 图 1) , 甲板模型尺寸 b1= 17. 0m, b 2= 12. 0m, L 1= 10. 0m, L 2 = 10. 0m, 甲板模型厚 度 t 1= 0. 020m, 舱壁模型尺寸 H 1= 2. 0m , 舱壁模 型厚度 t 2= 0. 014m, 在计算模型的 AB 边和 BC 边 加线载荷模拟拉( 压) 或剪切载荷。在这个区域的边 缘, 舱口角应力集中已经充分消散, 从而在边界上人 为加上的均匀约束条件不致影响应力集中热点区的 应力分布。在舱口角后部的甲板取到船纵中剖面处 为止, 并施加对称条件。在甲板后边缘施加简支边 界条件代表船体后部结构对甲板的约束, 而在甲板 前缘施加均匀拉( 压) 或剪切载荷。由于纵横舱壁会 影响甲板面内力的分布, 因而甲板下方的纵舱壁和 横舱壁也切取部分舱壁包括在模型中。
应力释放孔的纵向深度为 b, 横向宽度为 2a, 其
作者简介: 刘建成( 1974- ) , 男, 博士研究生。
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图 1 计算模型示意图
比值 r= b/ a( 图 2) 。研究中, 考察几种应力释放孔 方案:
深半椭圆孔 a= 180mm b= 500m m r= 2. 78 浅半椭圆孔 a= 180mm b= 300m m r= 1. 67 半圆孔 a= 180mm b= 180m m r= 1. 0 无应力释放孔 a= b= 0 在应力释放孔周围使用十分细密的有 限元网 格, 以期详细显示应力分布( 图 3) 。
6 在组合外力载荷下应力释放孔边缘 的应力分布
为了得到在拉( 压) 与剪切两种载荷组合作用 下, 应力释放孔边缘应力分布况, 选取了若干载荷组 合情 况加以 计算。取 截面 上的平 均合 成应 力
2 + 2 作为参考基准, 定义应力集中系数为 =
em ax
2+
2 。计算结果如图 5 与图 6 所示。图中纵坐标
图 8 加厚板示意图 表 4 纯拉载荷纯剪载荷下最大应力集中系数
纯拉载荷 纯剪载荷
等效应力最大值 emax( M Pa) 平均应力 ( M Pa) 等效应力集中系数
17. 3 10
1. 73
26 8 10 26. 8
此时, 高应力区已经扩散到整个加厚板范围, 而 最大等效应力集中系数 减小了 50% ~ 60% , 基本 上已经达到了预想的目的。
然而, 作者曾在一个整船模型上进行大开口多 用途船的应力计算, 包括舱口角的详细应力分析过 程中, 发现在应力释放孔的边缘仍然出现了甚高的 应力集中。为此, 作者企图通过分析甲板拉( 压) 和 剪切引起的应力释放孔周围的 应力分布情况 和规 律, 研究有无应力释放孔时应力集中的差异, 孔形变 化、以及加加厚板的影响, 从而对应力释放孔以及加 厚板的效果和改进提出评论。
其中 H 2 在孔底左侧为负应力区, H 1 在孔右侧 中后部, 为正应力区。随着孔形的变浅, H1 区沿孔 边缘向孔口移动, 改变孔形对应力集中系数的最大 值影响不明显。
图 2 应 力释放孔示意图
图 3 计算区域有限元模型与应力释放孔
3 载荷
对以下三种载荷工况进行了研究计算: 1) 甲板前切口受均匀拉力;
无应力释放孔 椭圆深孔 椭圆浅孔 半圆孔 ( r= 0. 0) ( r= 2. 78) ( r= 1. 67) ( r= 1. 0)
等效应力最大值 emax( M P a)
平均应力 ( M Pa) 等效应力集中系数
402 10 40. 2
405 10 40. 5
354 10 35. 4
377 10 37. 7
表示应力集中系数
, 横坐标为 x =
| |
| |
。
结论:
1) 当 x 25~ 35 时, 剪切载荷对应力集中的影 响非常小, 此时应力集中系数近似等于纯拉( 压) 时
的值。故可以认为此时甲板只受拉( 压) 载荷作用。
2) 当 x 0. 067~ 0. 1 时, 拉( 压) 应力的影响可
以忽略。但由于船舶在海上航行中, 当出现此种情
图 5 拉载荷与右剪切载荷在各种组合下 等效应力集中系数曲线
图 7 加厚板示意图
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板相同。因此, 加厚板的板厚取为 5m m。由以上计 算可知, 应力释放孔为椭圆深孔时, 较其他形式的释 放孔好, 故仅讨论椭圆深孔时, 加加厚板的情况, 计 算结果如表 3。
表 3 纯拉载荷纯剪载荷下最大应力集中系数
总的说, 纵舱壁对甲板的应力分布影响不明显。 横舱壁可以较显著的减小由于剪切载荷而在舱口角 隅处产生的应力集中, 但在承担拉压载荷作用方面 效果不明显。
4) 应力释放孔边缘的右半弧段及释放孔底端 区域会出现高应力集中区。故在确定孔形时应注意 右半段弧的形状, 而左半段弧形值起到过渡作用, 对 应力分布影响不大。
5) 为降低和消除应力集中现象, 单纯的应力集 中释放孔措施是不足的, 加加厚板可以进一步减小 应力集中系数。按照中国船级社规范的加加厚板, 应力集中系数可以在应力释放孔引起集中应力系数 减小的基础上继续减小 5% ~ 10% 。
6) 本文中提到了梯形加厚板结构。该加厚板 可以使应力集中系数减小 50% ~ 60% , 基本上达到 了预计目的。如果施工上可以实现, 理论计算表明, 该种形式的加厚板是较理想的。