基于DNV规范的船体结构开孔局部强度校核

摘 要：本文采用有限元分析和局部应力集中系数分析的方法，进行船体结构开孔局部强度校核，并引入实例进行分析说明。通过此方法可以有效解决大部分遇到的开孔局部强度校核问题，为开孔设计提供依据。

关键词：船体开孔；强度校核；应力集中系数

中图分类号：U661.43 文献标识码：A

Hull Structure Penetration Strength Check

LI Yunlong

（ COSCO （Guangdong） Shipyard Co.， Ltd. Dongguan 523146 ）

Abstract： This thesis introduces different types of piping and cables penetration at platforms or bulkheads， as required by DNV， also show a way by finite element analysis and local stress concentration factor analysis to check the structure strength around these penetrations. Examples are adopted for analysis and explanation to solve effectively most penetration strength check and provide the basis for penetration design.

Key words： Penetration at hull structure； strength check； stress concentration factors

1 前言

从2011年开始，广东中远船务相继承接了tender barge和ocean 400等钻井平台项目。

在tender barge和ocean 400的设计和建造过程中，设计人员经常遇到各种形式的的开孔，如开在T型梁上、舱壁上、甲板上，还有开在克令吊筒体和基座下方结构上等，而且形状也都不一样。下面介绍几种常用的方法，对开孔强度校核和设计提供理论依据。

2 开孔局部强度校核方法

开孔局部强度校核方法包括：（1）根据ABS规范要求校核；（2）应力集中系数校核；（3）有限元建模直接M行强度校核。

因采用有限元分析建模进行开孔强度计算比较费时费力，而目前大部分海工项目设计公司都会提供全船初步有限元分析，因此基于方法（1）和（2）可以基本解决全船各类型开孔局部强度校核问题。

2.1 根据ABS规范要求校核T型梁开孔强度

图1为典型的T型材开孔图，T型材端部有舱壁、扶强材和肘板支撑。根据ABS验船师检验文件，在肘板往前200 mm（或者1/8D，取大值）到靠端部50 mm区域是高应力区域（见图中阴影区域），不允许开孔，如果一定要开孔则必须进行强度校核并得到ABS允许；在非阴影区域通常应力值较小，在这些地方的开孔高度不能超过T型材腹板高度的1/4，两个开孔之间的距离和开孔的长度也有一定的要求，如图1所示。

图2为没有壁板和肘板支撑的情况。在长度为D的T型材中，端部两边1/8D的范围被认为是高应力区（见阴影部分），在这个范围内是不允许开孔的，设计时管子和电气开孔应该设法避开这些区域，如果没有办法避开则必须进行强度校核并得到ABS的认可。

2.2 基于DNV规范要求的舱壁板和甲板开孔强度校核

如图3所示，在典型的腰圆开孔的示例中，沿水平方向参数为r/b（半径/腰圆的长度），沿垂向方向参数为b/a（腰圆的长度/宽度）。从图中可以发现，沿着腰圆短边方向，当长边/短边比变小的时候，沿短边的剪切力也相应变小。另外，应力集中系数SCF随着r/b的变大而变小。这说明当腰圆大小一定的情况下，圆角越大，应力集中系数越小；当r/b=0.5时应力集中系数为3，这时腰圆其实是类似于圆形的一个形状。

图4是反映圆形开孔的应力集中系数：应力集中系数随着x/r的变大而变小，也就是在被开孔平台或者舱壁中，离开孔中心越远的地方应力越小。因此，在开孔情况下，应重点关注孔边的应力集中系数，圆孔孔边沿任何方向的剪切力的应力集中系数均为3。

图6所示为该纵舱壁应力值最大的组合应力云图，在该区域应力值为25 MPa。根据图1所示的应力集中系数曲线图，可插值得到应力集中系数为3.2。 因此得到开腰圆孔的应力集中系数为 25 MPa x 3.2=80 MPa， 小于284 MPa的许用值。

3 结束语

根据ABS规范校核和参考DNV-RP-C203的应力集中系数插值计算得出的数据，与有限元分析3D软件建模直接计算得出的数据，结果很接近。因此用ABS规范校核和用DNV的应力集中系数进行开孔局部强度校核是一种很实用且行之有效的方法，此方法已经成功运用于我司tender barge 和semi的两个项目上并得到了现场验证。

参考文献

[1] DNV船级社. DNV-RP-C203 Fatigue Design of Offshore Steel Structures.

[2] GUSTOMSC Publish MU_2013_17053 Von Mises Stress Plots.

[3] GUSTOMSC Publish MU_2013_27965 Maximum Principal Stress Amplitude

Global Model.