临时开口船体结构加强方案研究

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[摘 要]临时开口船体结构加强方案是采用有限元法建立船体结构数值模型，结合相关要求对临时开口船体结构强度进行分析。从初步设计6种开口加强方案，比较了不同加强形式对整个船体结构强度的影响。通过上述研究可知，z方向加强的方案能有效地提高船体结构抗弯能力，而y方向的加强方案对船体抗弯和抗扭效果不显著，三角形就是将两者结合，其应力集中，可以有效地降低开口的应力。可以更加合理的制定出对船体临时开口结构加强方案。

[关键词]临时开口；船体结构；加强方案

中图分类号：U661.43 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）18-0062-01

我国经济的快速发展，对能源的需求也越来越大。随着我国加强了对海洋石油的开采，在船舶建造市场上越来越多的出现了将油船改造成浮式储油船的例子。而对船舶进行改造和维修的最主要工艺是进行船舶结构开口工作，在对船舶进行改造或者维修的过程中，船舶工作人员需要割开临时的开口，供工作人员进出船舱室。一般来说，为了能够更加方便的进行施工，临时开口的尺寸较大，范围较广，为几米到十几米，甚至会贯穿多个甲板。而临时开口不同的尺寸大小以及切割的工艺对船舱体结构的影响不同。

由于施工人员对船体进行开口会影响其结构的连续性，对船体整体的结构强度会带来一定的影响。在对船舶进行改造的过程中，船舶的重量和荷载在不断的变化过程中，若对船舶的结构去切割开口将带来较大的安全隐患。尤其是当船舶长期的靠港维修。据相关的资料显示，在世界的范围内已经发生多起船舶在码头作业的过程中发生意外灾难。而发生这一系列事故的原因在于船舶的开口造成其荷载不均。因此，对于船体结构进行临时开口时，除了要计算船舶总纵强度，也要在船舶临时开口设计以及检验过程，考虑到其扭转强度。

本文以45000吨的油船为例，采用有限元法的计算方法对船舶结构开口强度进行计算，并探讨船舶临时开口加强方案。

一、临时开口船体结构强度分析

（一）数值模型

本文采用有限元分析软件对数值进行分析，数值模型包括完整舱室以及船体前后各半个舱室。将主甲板结构临时开口尺寸制定为2.4m×4.75 m，其倒角半径为0.2m。

（二）游船尺度和材料参数

45000吨油船的总长为177 m，两柱间长为169 m。船宽为32.3m，船深为18.8m，吃水深度为13m，方形系数为0.82m.纵向构件尺寸。

（三）计算结果

在弯扭作用下应力极值和位移极值的计算结果中可以看出：在无孔的状态时，弯矩作用下相当的应力为192Mpa，位移为0.0196m；而扭矩作用下相当的应力为78Mpa，位移为0.0122m。在开口状态时，弯矩作用下相当的应力为646Mpa，位移为0.0190m；而扭矩作用下相当的应力为383Mpa，位移为0.0127m。这个计算结果说明，船体结构在开口后应力值超过了材料屈服应力值，并增加了相当应力的极值。弯扭分别增加了236.5%以及391%，且主要集中在船体结构开口的附近。因此，临时开口船体结构需要有效的加强方案。

二、临时开口船体结构加强方案比较

（一）临时开口船体结构加强方案

为了有效地提高临时开口后船舶结构的安全性和稳定性，在临时开口船体的开口区域连上骨材，可以有效地提高船体结构的强度。为此，我们设计出6种加强骨材与连接构件尺寸的方案，如图1所示。方案1为y方向加强、方案2为三角形结构加强、方案3为z方向加强，而方案4-6为z方向以及y方向混合加强。

（二）临时开口船体结构加强方案的计算结果

经过计算6种加强方案在弯矩和扭矩作用下的结果。其中无孔方案时，弯矩作用下相当的应力为192Mpa，位移为0.0196m；而扭矩作用下相当的应力为78Mpa，位移为0.0122m。开口方案时，弯矩作用下相当的应力为646Mpa，位移为0.0190m；而扭矩作用下相当的应力为383Mpa，位移为0.0127m。方案1时，弯矩作用下相当的应力为655Mpa，位移为0.0190m；而扭矩作用下相当的应力为382Mpa，位移为0.0127m。方案2时，弯矩作用下相当的应力为658Mpa，位移为0.0190m；而扭矩作用下相当的应力为355Mpa，位移为0.0126m。方案3时，弯矩作用下相当的应力为646Mpa，位移为0.0190m；而扭矩作用下相当的应力为383Mpa，位移为0.0127m。方案4时，弯矩作用下相当的应力为573Mpa，位移为0.0188m；而扭矩作用下相当的应力为382Mpa，位移为0.0127m。方案5时，弯矩作用下相当的应力为577Mpa，位移为0.0188m；而扭矩作用下相当的应力为382Mpa，位移为0.0127m。方案6时，弯矩作用下相当的应力为465Mpa，位移为0.0187m；而扭矩作用下相当的应力为381Mpa，位移为0.0127m。

（三）临时开口船体结构加强方案计算结果分析

①y方向临时开口船体结构加强方案对其抗弯以及抗扭的效果不是特别明显，且能明显地看出扭曲应力值基本没有什么变化。

②z方向临时开口船体结构加强方案对其抗弯的效果较为明显，但对抗扭效果不明显。从方案4、方案5以及方案6可以得出，当z方向所加入的骨材越多，其船体结构的弯曲应力越小。

③方案2由于存在交叉的骨材，因此便形成了三角形的结构。降低了扭转应力，但却有很强的抗变形能力。当船体变形时，船体的骨材和甲板连接处将会形成较大的应力，应力无法承受时便会导致船体结构的破坏。

④从6种临时开口船体结构加强的方案可以得出，由于加强构件小于船体的刚度。无论选择何种加强方案均对船体整体结构变形的影响不大。

结论

综上所述，在对船体结构临时开口后，其抗弯和抗扭的能力明显下降，影响了船体结构的强度。在对不同的加强方案进行比较中可以得知，z方向加强的方案能有效地提高船体结构抗弯能力，而y方向的加强方案对船体抗弯和抗扭效果不显著，三角形应力集中，可以有效地降低开口的应力。

参考文献

[1] 周波，刘玉君，韦智元等.临时开口船体结构加强方案研究[J].大连理工大学学报，2011，51（2）：215-220.

[2] 周波，刘玉君，段宏等.临时开口船体结构强度数值分析[J].中国舰船研究，2009，4（2）：28-33.