考虑残余应力的船舶强度校核分析方法研究文档格式.docx

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关键词：

船体结构；

强度校核；

残余应力中图分类号：

U661.43

文献标识码：

A

AnalysisMethodsofShipStrengthCheckAddingthe

ResidualStress

ANShao-peng1,LIUYu-jun1,2,WANGJi1,DENGYan-ping2

（1StateKeyLaboratoryofStructuralAnalysisforIndustrialEquipmentDalianUniversityofTechnology,FacultyofVehicleEngineeringandMechanics,DepartmentofNavalArchitecture,Dalian116024,China;

2NationalEngineering

ResearchCenterofShipbuilding,Dalian116023,China

Abstract:

Ontheperiodofshipstructuraldesign,wecalculatethestructuralstrengthinaccordancewithexternalload,andcheckthesafetyofstructureinaccordancewithallowablestress.Buttheresidualstressisn’ttakenintoaccountwhichisgeneratedintheforming,welding,assemblyandotherprocesses.Inthispaper,thestrengthofaVLCCoiltankerindifferentloadcasesiscalculatedwithresidualstress,andtheinfluenceruleofresidualstressonthemaincomponentsstressdistributionisstudied.Thecalculationresultsshowedthatit’snecessarytotakeintoaccounttheeffectofresidualstress.Keywords:

Hullstructure;

StrengthChecking;

ResidualStress

引言

船舶与海洋结构物作为结构复杂的焊接钢质结构，其建造过程中，加工成形、连接、焊接装配等加工工艺的加热和冷却循环，无可避免地会产生分布复杂的残余应力。

船舶与海洋结构物在运行期间，货物压力和波浪弯矩等外载荷与残余应力叠加，在残余应力达到一定数值时，会使结构提前到达材料的屈服应力，在一定程度上降低了船舶的结构强度和安全性。

关于残余应力对结构强度的影响，目前已有学者对此进行过相关的研究工作。

其中，汤夕春、蒋沧如分析了残余应力对H型钢柱梁构件极限承载力的影响[1]。

华一品等则分析了残余应力对船舶结构中的T型接头的强度影响。

周张义、李芾分析了焊接残余应力对钢结构疲劳性能的影响[2]。

这些研究分析对象大多数结构比较简单，考虑残余应力分布比较明确，并且只是定性地进行分析。

很少有文献从船舶规范强度要求的角度来定量的分析残余应力对大型（船舶）结构的应力分布影响规律。

本文借助有限元分析方法，在按照规范对船舶进行结构强度校核的方法中，通过加载不同数值大小的初始残余应力作为船舶结构所承受载荷的一部分，来研究残余应力对结构强度的影响规律；

并在现有船舶规范许用应力要求下，得出残余应力的允许值范围，对残余应力的消除工作提出一个

量化标准[3-4]。

一、有限元分析研究方法

本文通过总结已知的船舶结构残余应力分布规律来得到残余应力的加载分布，依据《CCS油船结构强度直接计算分析指南》及《钢制海船入级规范》，对船舶舱段模型进行强度校核分析[5-6]。

分析步骤如下：

（1以某油船中部货舱分段为例，按照《油船计算分析指南》要求建立分段模型，计算船舶所受外载荷；

（2将外载荷及定量的残余应力加载到模型进行静力分析强度校核；

（3逐步增加残余应力值大小进行多次计算，得到构件计算应力受残余应力影响规律；

（4校核其他计算工况。

《油船计算分析指南》中给出了船体不同构件所允许的最大许用应力，通过不断增加所加载的残余应力大小，当构件计算应力达到许用应力的临界值时，本论文中认为此时加载的残余应力大小即是在工艺过程中结构内允许的残余应力最大值。

本论文研究所得到的工艺过程中的残余应力允许范围，不仅能够得出各主要构件受残余应力的影响规律，表明有必要在船体强度校核中考虑工艺残余应力的影响，而且能够对残余应力的消除研究和实际工作提供一个量化标准。

二、船舶实例计算分析

2.1.船体参数

本文以一艘30万吨级VLCC油船为例，采用纵骨架式单壳结构，设有两道纵舱壁。

主尺度及主要参数如下：

总长：

333.4m两柱间长：

320m船宽：

58m型深：

29.50m设计吃水：

19.85m结构吃水：

21.05m方形系数：

0.814肋距：

5950mm2.2.计算模型

根据《油船计算分析指南》规定，用三维有限元模型进行油船主要构件的强度计算时，模型选取船中货舱区的1/2个货舱+1个货舱+1/2个货舱，纵向范围为16个肋距，长度5.95*16m，垂向范围为船体型深。

油船设有两道纵舱壁，主要构件和载荷对称于中纵剖面，因此采用半宽模型，仅模型化船体结构右舷。

强度评估采用中间一个货舱（含舱壁）。

计算模型见图1：

整个舱段模型有限元模型共有115911个节点，89768个壳单元，24614个梁单元。

不同工况以及模型局部强度校核时会

稍有变化。

图1舱段有限元分析模型

2.3.设计载荷计算

设计载荷包括货物压力、舷外水压力以及端面弯矩三部分，其中货物压力和舷外水压力可直接由《油船计算分析指南》公式计算得出。

端面弯矩由静水弯矩Ms、波浪弯矩Mw和修正弯矩Mr三部分组成：

静水弯矩Ms取对应工况的模型范围内的最大弯矩，具体由装载手册得出[7]。

波浪弯矩Mw按照《钢质海船入级规范》计算确定，中拱为正。

修正弯矩Mr是由于局部载荷引起的附加弯矩，具体计算方法见《油船计算分析指南》。

2.4.边界条件

由于载荷左右对称，因此沿中纵剖面节点设置对称约束；

根据《油船计算分析指南》在模型前后端面中和轴处分别建立独立点A、B，在独立点上施加弯矩。

模型边界条件见表1.

表1边界条件施加表（载荷对称边界约束线位移角位移δx

δyδz

θxθy

θz中纵舱壁Cons.

Cons.

Cons.端面ALinkLinkLinkLink端面BLinkLinkLinkLink独立点ACons.

Cons.Cons.Cons.BMCons.独立点B

Cons.Cons.

BMCons.

其中：

Cons.：

对应的位移约束；

Link：

面内相关点位移与独立点连接；

BM：

端面所受的总体弯矩。

2.5.计算工况

根据《油船计算分析指南》以及实际装载情况，本文主要选取了3种最常见工况进行残余应力分析，分别为：

满载中垂工况，满载中拱工况和轻载静水工况。

2.6.残余应力加载方法

残余应力在ANSYS有限元分析中，作为初应力载荷进行施加，可以适用于线性静力分析。

初应力载荷只能在第一个载荷步中施加，支持初应力载荷的单元类型包括SHELL181、BEAM188等。

初应力载荷施加到模型单元上有两种方法：

直接选取单元使用ISTRESS命令施加初始常应力载荷；

或者编写初应力文件，从文件施加初应力载荷。

由于模型结构复杂，节点多，采用编写初应力文件方法过于繁琐，难以实现；

并且计算仅加载不同数值的常应力，对残余应力精确值要求不高。

因此本文采用选取所需要单元直接加载初应力的方法。

残余应力选取构件主要焊缝及周围单元进行加载，包括横向残余应力σy和纵向残余应力σx，残余应力大小为均值。

2.7.结果及规律分析

计及残余应力的舱段强度有限元计算后，货舱区各主要构件应力情况如表2。

最大计算应力为外载荷和不同大小残余应力σrs共同作用下的计算结果，σrs=0Mpa表示仅有外载荷作用。

模型计算结果中，板单元取中面等效应力，梁单元取轴向应力。

表2满载中垂工况下货舱区主要构件校核结果

表3满载中拱工况下货舱区主要构件校核结果

主要构件许用应力最大计算应力（Mpa）

σrs=0σrs=20σrs=40σrs=60σrs=80σrs=100σrs=120甲板（AH）28269.36663.761.764.671.378.4舷侧板（AH28254.561.26976.784.692.4100船底板（AH28268.477.186.596.6107117127横舱壁（AH22442.746.252.158.164.170.276.4横框架（AH250118117115117131146160纵舱壁（AH

28279.178.78591.698.3106115横向构件上的梁24437.848.359.069.780.491.1102纵向构件上的梁

286

126

142

158

174

190

206

222

表4轻载静水工况下货舱区主要构件校核结果

σrs=0σrs=20σrs=40σrs=60σrs=80σrs=100σrs=120甲板（AH）28290.289.589.391.7109131154舷侧板（AH282159162166169173177181船底板（AH282124123121125128131135横舱壁（AH224198192189194200206213横框架（AH250163162162171182193205纵舱壁（AH

282172172173174175180202横向构件上的梁24445.148.151.254.558.262.166.3纵向构件上的梁

52

63.2

74.9

86.6

98.3

110

122

将残余应力σrs=nMpa时的构件计算应力减去σrs=0Mpa时结果，即为残余应力影响下的构件计算

应力增值，做出各构件应力增值随残余应力变化图表如下：

图2满载中垂工况下应力增值变化图

图3满载中拱工况下应力增值变化图

图4轻载静水工况下应力增值变化图

从以上图表可以看出：

在加载残余应力之后，外载荷和残余应力发生叠加作用，结构的计算应力值进行了重新分布，并且最大值随残余应力加强按比例增加。

在中垂工况下，残余应力为100Mpa时，甲板结构等效应力和纵向构件上的梁轴向应力增值达到40-60Mpa，说明其受残余应力影响较大，而船底板等效应力基本保持不变；

在中拱和静水状态下（轻载静水时船舶亦为中拱状态），船底板等效应力和梁轴向应力变化较快，而甲板结构应力基本保持不变。

三、结论

综上所述，本文主要分析结论如下：

在不加载残余应力的情况下，货舱区各主要构件强度满足规范要求，并有一定的安全裕度。

若考虑工艺过程中结构内的残余应力，外载荷与残余应力的叠加作用可能会使构件应力超出规范许用应力，因此，在船舶结构强度校核中有必要考虑工艺残余应力的影响。

在加载残余应力情况下，甲板、船底板及梁构件的应力增加最为明显。

甲板、船底板以及船体梁作为船舶最主要的承力构件，本身应力值就比较大，其受残余应力的影响又最为敏感。

因此在船舶建造过程中，这些部位需要重视残余应力的消除工作，使其峰值降至允许范围之内。

参考文献：

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