基于CSR-BC&OT规范钢卷装载和连接强度校核的研究

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　　摘    要：介绍了CSR-BC&OT规范对连接强度的计算要求，研究了在钢卷装载情况下采用有限元计算连接强度的方法，通过对一艘6.1万吨散货船结构形式的实例建模并在内底纵骨和肋板连接处的网格细化，分析了其应力分布特征及其承载能力。对比分析不同肋板板厚和不同贯穿孔形式下的应力结果，提出了应对钢卷装载的连接强度计算方法和结构形式修改建议。
　　关键词：钢卷装载;连接强度;有限元方法;强度计算
　　1  引言
　　CSR-BC&OT 规范在Part1， Chapter3， Section5， 5.2 中对纵骨和主要支撑构件之间的连接强度计算提出了要求。对于钢卷载荷并没有要求参与到此连接强度计算中。
　　本文从工程实际出发，以某6.1万载重吨散货船为例，应用梁理论方法和有限元分析方法对该船内底板在装载25吨钢卷情况下分析纵骨贯穿孔的强度，对比分析不同肋板板厚和不同贯穿孔形式下的应力状态，并给出了针对重钢卷装载的优化设计方案。
　　2  连接强度梁理论分析
　　2.1  钢卷载荷计算方法简述[1]
　　钢卷在内底板上的布置可以参考图1。装载钢卷时，内底板和钢卷之间需要铺垫垫料。钢卷载荷通过垫料施加于内底板和内底板纵骨，由内底板纵骨通过贯穿孔和竖向支撑条材的连接传递到实肋板。
　　钢卷传递到肋板之间的载荷大小与钢卷自重、钢卷层数、垫料数量和布置方案等因素有关。两个肋板之间的等效钢卷质量可以由下公式计算：
　　[Msc-ib-s=KSWn1n2n3]
　　式中：
　　KS——系数用于考虑是否有钢卷锁紧;
　　W——表示每个钢卷质量;
　　n1——钢卷装载层数;
　　n2——表示每个钢卷下的垫料数量;
　　n3——表示肋板之间的垫料数量。
　　传递到实肋板间的静载荷可以用等效钢卷质量乘以重力加速度g。
　　2.2  用于连接强度计算的载荷
　　考虑到船宽方向钢卷布置的不确定性，存在钢卷布置在内底纵骨正上方的情况。保守分析，认为这种情况下此列钢卷载荷全部有一根纵骨承担。建立梁系模型分析。
　　中间肋板处纵骨传递的剪力为817.5kNx2=1635.0kN。相同位置的纵骨与肋板连接处在隔舱重货装载情况下传递的剪力为485.8kN，是计算的决定载荷，远远小于钢卷装载工况下传递的剪力。取钢卷传递的载荷计算连接强度，本船内底板多处贯穿孔和竖向支撑条材应力超过许用值。
　　考虑到上述方法假设仅有一根纵骨承担了钢卷载荷，忽略了内底板架的相互作用，计算结果偏于保守。用有限元方法继续对该位置的贯穿孔位置和竖向支撑条材位置进行计算。
　　3  FEM计算钢卷装载下的连接强度
　　3.1  模型范围和网格尺寸
　　有限元模型采用三舱段模型。考虑到贯穿孔尺寸较小，对货舱中部的3个肋板位置的龙筋贯穿孔进行细网格建模。内底纵骨板元化处理。细网格部分嵌在整体模型中。分别建模11.5mm， 13mm， 14.5mm和16mm四种肋板板厚，无贯穿孔补板和有贯穿孔补板形式进行对比分析。
　　3.2  载荷工况
　　3.2.1  静水载荷加载
　　根据装载手册，取吃水T=12.642m施加静水载荷P=1.025[×]9.81[×]10-3[×]z（m）于外板上。
　　3.2.2  細网格区域钢卷压力加载
　　根据本船的布置方案，考虑到本次分析主要研究钢卷载荷对连接强度的影响，所以在有限元计算过程中，把细化节点位置的钢卷载荷施加在距离钢卷和内底板切点最近的纵骨上。本船两个肋板之间的垫料数量n2为5，把等效钢卷载荷Fsc-ib-s平均分配5份到纵骨上对应垫料位置的节点上。
　　3.2.3  非细化区域钢卷压力加载
　　对于非网格细化区域，把去除掉细化区域剩余钢卷重量产生的载荷平均分配到对应的节点上，以节点力的形式施加。
　　3.2.4  船中弯矩修正
　　上述载荷施加后，船中弯矩没有达到设计弯矩，通过在三舱段甲板与外底节点施加对称弯矩，使船中弯矩分别达到中拱目标值和中垂目标值。
　　4  计算结果分析
　　4.1  连接强度的应力分析
　　在中拱状态下，内底纵骨的贯穿孔和支撑条材最大应力位置参考图2和图3。
　　5  结论
　　根据上述计算分析表明，现有规范未能充分考虑钢卷装载对连接强度的影响。本文通过梁系理论分析和有限元分析，研究用钢卷载荷计算连接强度的方法。通过计算结果可以发现，增加肋板板厚并不能有效降低贯穿孔和支撑条材的应力，增加贯穿孔补板是一种比较有效的减少应力的方法。后续如果有需要装载钢卷的散货船进行连接强度的校核，可参考本文方法进行计算。
　　参考文献：
　　[1] 中国船级社. 钢制海船入级规范2015：第6分册 [M]. 北京： 人民交通出版社，2015.
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