CN107826210A - 一种减小应力集中的开孔结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种减小应力集中的开孔结构，该开孔结构为椭圆孔，采用的椭圆孔尺寸为600mm×850mm，该椭圆孔的长轴方向与垂直面具有预定的夹角α，所述夹角α为开孔处所在板格的最大主应力方向与所述垂直面的夹角。本发明通过应力分析，证明采用这种600mm×850mm的椭圆孔符合力的传递特性，降低高应力处的应力集中程度，降低该开孔处的理论应力水平，并提高疲劳寿命，其可有效避免大幅增加嵌入板厚度的缺点，节省船体重量，同时本发明的开孔方式可适用于所有高应力区域的人孔，并且不会对原结构产生任何的影响，设计安全性更高。

Description

一种减小应力集中的开孔结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及船舶设计制造领域，尤其涉及一种减小应力集中的开孔结构及其设计方法，适用于某些高应力区域需要设置人员通过的人孔的结构部位。

背景技术

当今，国际船舶科学技术正以前所未有的速度向前发展；一方面，船舶结构不断向大型化、复杂化、轻巧化发展，其工作载荷越来越大，工作环境越来越严酷，另一方面，船舶结构因屈服、屈曲、疲劳破坏而可能造成的损失也越来越大，且由于经济性要求，船舶结构设计必须能够最大限度地发挥其结构潜力。一场变革正在船舶结构设计领域中兴起：一方面，以安全系数保障强度裕度的定值方法正朝向可靠性设计的概率方法演进；另一方面，从以单一目标的优化设计向统一考虑强度、刚度、寿命和稳定性等多目标的结构总体优化设计转化，此变革源于传统的静强度设计方法不能保证产品安全可靠地工作，致使一些船体结构的重大事故频繁出现。由此可见，为了保证船体结构安全工作，合理降低船体结构开孔处的应力水平，显得十分重要。

因此，实现船舶低应力水平化已经成为国际海事界的共识，也必将成为未来船舶发展的重要趋势。在工业和信息化部发布的《中国制造2025现重点领域技术路线图(2015版)》中，已将减小应力集中设计技术作为海工工程装备及高技术船舶重点领域的关键共性技术之一。船舶如何减小应力集中设计技术不仅有着实际的工程意义，同时也具有较大的社会效益和环保效益。

由于应力集中是产生疲劳裂纹的主要因素，所以，在设计中尽量地减缓局部应力，是提高船体构件寿命的一项重要措施。

目前，在船舶的某些高应力区域(如底部肋板或纵桁上)需要设置人员通过的人孔，SOLAS要求不小于600×800，常规的开孔方式将导致此处的应力集中较为严重。该现象主要集中在开孔的自由边，开孔的自由边无加强筋保护，将导致严重的应力集中，可能引发屈服、疲劳等一系列问题。常规的做法是增加嵌厚板的厚度甚至需要增设自由边打磨工序以满足细网格及疲劳方面的要求，整体嵌入的板厚较相邻的板厚增5mm～10mm，板厚差较大，增加板厚的方法会导致开孔区域和非开孔区域的刚度变化过于剧烈。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种减小应力集中的开孔结构及其设计方法，本发明研判开孔处所在板格的最大主应力方向，采用旋转开孔椭圆的长轴方向使与之重合的方法，这明显改善需要设置人孔的某些高应力区域(如底部肋板或纵桁上)的屈服强度及疲劳强度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种减小应力集中的开孔结构，该开孔结构位于船舶结构本体上，所述开孔结构为椭圆孔，该椭圆孔的长轴方向与垂直面具有预定的夹角α，其中，所述椭圆孔的长轴方向与垂直面不平行。

为了进一步优化上述技术方案，本发明所采取的技术措施还包括：

优选地，所述夹角α为开孔处所在板格的最大主应力方向与所述垂直面的夹角。

优选地，所述开孔结构位于所述船舶结构本体的高应力区域；更优选开设在底部肋板或纵桁上。

优选地，所述开孔结构为人孔，其短轴长度为600mm，长轴长度为850mm。这种开孔结构的大小整体上可供人员通行，开孔自由边上的应力，一部分是来自货舱内底边舱斜板、内底板、纵桁、实肋板和横向强框架交点处通过焊缝传递过来的应力，一部分是底部桁架变形导致的应力。

优选地，所述开孔结构位于两个腹板加强筋之间。

优选地，所述开孔结构处设置加强面板。

优选地，所述开孔结构中，椭圆孔的自由边是经过打磨光滑的。

本发明还提供一种上述减小应力集中的开孔结构的设计方法，其包括如下步骤：：

步骤1)确定开孔的形式为椭圆孔及其尺寸；

步骤2)建立有限元模型，通过有限元软件求解应力结果，记录最大主应力值以及开孔处所在板格的最大主应力方向与垂直面的夹角a；

步骤3)根据步骤2)的结果，将步骤1)中的椭圆孔的长轴方向与开孔处所在板格的最大主应力方向重合；

步骤4)根据步骤2)记录的最大主应力值，以及开孔所在板格的板格大小、板厚计算椭圆孔是否应加强，若需加强则确定加强方案；

步骤5)根据加强方案再次修改有限元模型后进行屈服、屈曲、疲劳的计算，直到满足船级社规范的要求。

优选地，所述步骤4)中的加强方案为采用加设面板的方式，其给出面板的板厚理论预测公式。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1)明显改善开孔的应力集中，提高屈服强度和疲劳强度。

2)根据最大主应力的大小和开孔所在板格的板格大小、板厚计算人孔是否应加强；

3)开孔为椭圆孔，孔的自由边打磨光滑，避免缺陷，线型平滑美观；

4)根据已知条件给出重量最轻的加强方案，如果采用加面板的方式，则给出面板的板厚(假定宽度)理论预测公式，以利于面板的选用；

通过应力分析，证明采用本发明所述的开孔结构，可以降低开孔处的应力集中程度，可以降低该处的理论应力水平和提高疲劳寿命，设计安全性更高。

附图说明

图1是典型船舶横剖面底部高应力区域布置图，图中标记1是需要设置人孔通过的底部肋板高应力区域；

图2是图1中标记1处的局部放大图，图中标记2是常规600mm×800mm的腰圆人孔，其长轴与垂直面平行；

图3是本发明提供的一种减小应力集中的开孔结构，其为椭圆孔600mm×850mm，其中图中A-A方向是开孔处所在板格的最大主应力方向，与椭圆孔的长轴方向重合，角度a是开孔处所在板格的最大主应力方向与垂直面的夹角。

图4是对椭圆孔600mm×850mm采取的加强方式，如果采用加面板的方式，则图中标记4是加强面板。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明提供的一种减小应力集中的开孔结构，当船体构件的剖面变化时，则剖面内会产生很大的局部应力，因此，在设计中应尽量防止剖面急剧变化。当这种变化不可避免时，则应努力减小应力集中。

原理说明：力流线变化愈小，局部应力也愈小，所以，减缓力流线的变化，就能减缓局部应力。比如带椭圆的板件承受拉伸载荷时，其力流线变化较大。旋转椭圆的长轴使之与力流线的方向一致时，则力流线就变得比较光滑，因而降低了局部应力。

本发明是通过一种研判开孔处所在板格的最大主应力方向，旋转开孔椭圆的长轴方向使与之重合的方法，从而明显改善需要设置人孔的某些高应力区域(如底部肋板或纵桁上)的屈服强度及疲劳强度。

如图1和图2所示，在船舶横剖面底部肋板高应力区域，现有技术中采用600mm×800mm的腰圆人孔，其长轴与垂直面平行，该人孔的设置存在以下缺点：采用上述人孔后，需要增加嵌厚板的厚度甚至需要增设自由边打磨工序以满足细网格及疲劳方面的要求，整体嵌入的板厚较相邻的板厚增5mm～10mm，板厚差较大，增加板厚的方法会导致开孔区域和非开孔区域的刚度变化过于剧烈。

如图3所示，本发明为了解决现有技术中存在的问题，本发明设计了一种减小应力集中的开孔结构，在一实施例中，该开孔结构位于船舶结构本体的底部肋板或纵桁上的高应力区域，所述开孔结构为椭圆孔，其为600mm×850mm的人孔，该椭圆孔的长轴方向与垂直面具有预定的夹角α，其中，长轴方向与垂直面不平行；所述夹角α为开孔处所在板格的最大主应力方向与所述垂直面的夹角，即椭圆孔长轴与开孔处所在板格的最大主应力方向重合，且所述开孔结构位于两个腹板加强筋之间，如需加强的话，如图4所示，可在开孔结构处设置加强面板，同时椭圆孔的自由边是经过打磨光滑的。

本发明所述的减小应力集中的开孔结构的具体实施步骤如下：

1)开孔的最佳形状方案不应是600mm×800mm的腰圆孔，而应是与之面积相当的600mm×850mm的椭圆孔；

2)建立三舱段有限元模型，根据规范加载，并通过有限元软件求解应力结果。在应力结果中研判开孔处所在板格的最大主应力方向，记录最大主应力值以及开孔处所在板格的最大主应力方向与垂直面的夹角a，使得开设的椭圆孔的长轴方向与之重合；

3)根据最大主应力值和开孔所在板格的板格大小、板厚计算人孔是否应加强；

4)根据已知条件给出重量最轻的加强方案，如果采用加面板的方式，则给出面板的板厚(假定宽度)理论预测公式，面板厚度t＝f(t，最大主应力)。

5)根据加强后的方案再次修改有限元模型后进行屈服、屈曲、疲劳的计算，直到满足船级社规范的要求。

在上述步骤中，面板厚度与最大主应力之间存在相应的函数关系。

本发明上述实施例完成了大量的、全面的计算分析工作来分析结构的安全性。在本发明开发中应用的分析技术有：满足规范舱段有限元分析技术、精细网格有限元法疲劳分析技术等。

本发明对于原结构形式的改动非常小，只需在实肋板上把开孔的方向旋转一下，使得椭圆孔的长轴方向使与开孔处所在板格的最大主应力方向重合，上述改进可以有效避免大幅增加嵌入板厚度的缺点，并且可以节省船体重量，本发明的开孔方式的改进设计的适用范围非常广，所有高应力区域的人孔都可以采用，并且不会对原结构产生任何的影响。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种减小应力集中的开孔结构，该开孔结构位于船舶结构本体上，其特征在于，所述开孔结构为椭圆孔，该椭圆孔的长轴方向与垂直面具有预定的夹角α，其中，所述椭圆孔的长轴方向与垂直面不平行。

2.根据权利要求1所述的一种减小应力集中的开孔结构，其特征在于，所述夹角α为开孔处所在板格的最大主应力方向与所述垂直面的夹角。

3.根据权利要求1所述的一种减小应力集中的开孔结构，其特征在于，所述开孔结构位于所述船舶结构本体的高应力区域。

4.根据权利要求1所述的一种减小应力集中的开孔结构，其特征在于，所述开孔结构位于底部肋板或纵桁上。

5.根据权利要求1所述的一种减小应力集中的开孔结构，其特征在于，所述开孔结构为人孔，其短轴长度为600mm，长轴长度为850mm。

6.根据权利要求1所述的一种减小应力集中的开孔结构，其特征在于，所述开孔结构位于两个腹板加强筋之间。

7.根据权利要求1所述的一种减小应力集中的开孔结构，其特征在于，所述开孔结构处设置加强面板。

8.根据权利要求1所述的一种减小应力集中的开孔结构，其特征在于，所述开孔结构中，椭圆孔的自由边是经过打磨光滑的。

9.一种如权利要求1～8中任一项所述的减小应力集中的开孔结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)确定开孔的形式为椭圆孔及其尺寸；

步骤2)建立有限元模型，通过有限元软件求解应力结果，记录最大主应力值以及开孔处所在板格的最大主应力方向与垂直面的夹角a；

步骤3)根据步骤2)的结果，将步骤1)中的椭圆孔的长轴方向与开孔处所在板格的最大主应力方向重合；

步骤4)根据步骤2)记录的最大主应力值，以及开孔所在板格的板格大小、板厚计算椭圆孔是否应加强，若需加强则确定加强方案；

步骤5)根据加强方案再次修改有限元模型后进行屈服、屈曲、疲劳的计算，直到满足船级社规范的要求。

10.根据权利要求9所述的减小应力集中的开孔结构的设计方法，其特征在于，所述步骤4)中的加强方案为采用加设面板的方式，其给出面板的板厚理论预测公式。