由硬点引起的船体结构裂纹及其设计原则

1、由硬点引起的船体结构裂纹及其设计原则 摘要：船体结构设计中由于设计不当，往往会在结构中出现硬点，而硬点的出现将会在该区域产生高应力，从而导致结构出现裂纹。列举了结构设计中常见的硬点类型，提出了相应的改进措施，同时通过国外已有的模型试验分析数据来说明消除硬点的合理方法。这些方法对今后的船体结构设计具有较大的参考价值。0引言 在船舶使用过程中，经常会遇到各种各样的结构裂纹，严重的会导致整个结构出现损坏。因此，在结构设计中一定要周密考虑，对可能出现的硬点或结构布局中存在的硬点风险进行合理分析，并采用相应的补救措施来最大程度地消除硬点，保证整个船体结构设计的合理、可靠。1船体结构中的硬点 硬点就是船体

2、结构中的局部高硬度区域。硬点的存在将引起船体结构中过度的应力集中，从而导致船体结构出现脆性裂纹与疲劳裂纹。 根据硬点形成及其工作条件的特征，可以将硬点分为几类，如下所述。1.1第一类硬点 当刚度较大的船体结构构件（如肘板、构件等）支撑在刚度很小的构件上（板）时，在支撑区域将出现硬点。此时，支撑区域的刚度应按载荷作用方向进行评估。 在图1中描述了底部结构，在该结构中外部载荷作用方向与加强筋2的最大弯曲刚度方向重合。下方加强构件的一端与上方加强构件的两端间断在板格面上，没有延伸到支撑构件上，在构件的间断位置上将出现硬点。 在图2中描述了纵向构件在横舱壁处的连接形式。纵向构件通过肘板与横舱壁连接，在

3、肘板的趾端将出现硬点。以上几种不同形式的第一类硬点都具有如下特征：板格平面通过线连接的形式来支撑具有高弯曲刚度的构件，在连接部分的端部将出现复杂的应力状况。在距构件端部一定距离位置上将出现裂纹，该裂纹的出现是由于船体构件刚度的剧烈变化进而引起高的应力状况所产生的，见图3。1.2第二类硬点当不同方向的平面结构相交时，在相交位置将出现硬点。此时，一个方向构件向另一个方向构件力的传递是通过比构件自身面积小得多的接触面进行传递的。这类硬点常常叫做刀口支撑。这类硬点的特点及在相交位置上产生的裂纹见图4。一个平面构件是通过点来向另一个平面构件来传递力，此时，即使在不大的拉伸力作用下，该相交位置将产生非常高

4、的应力状况，而且在该点还有不同方向的焊缝在此相交。在图4中还列举了舱壁与加强筋相交的情形。由于加强筋具有相对于舱壁较小的刚度，当加强筋弯曲时，在其腹板上硬点的位置处将出现复杂的应力状况。在图5中列举了第二类硬点的典型结构示例：深舱舱壁与内底板的连接情况。 在设计连接节点及相交构件的节点时，要尽力避免出现硬点。而当硬点出现不可避免时，要通过改变结构构件来最大程度地减小硬点对结构强度的影响。2硬点消除或改善方法2.1第一类硬点的消除 为了消除第一类硬点，一定要将构件或肘板延伸到最近的另一个方向上的构件上。如果这样的构件不存在（见图1），则一定要增设额外的构件，见图6。2.2第二类硬点的消除或改善措

5、施 对于第二类硬点，一般是通过在硬点位置处，在两个平面构件中的一个构件平面上设置肘板来对结构进行加强（见图4，图5）。这样做的目的是将力由点的传递变成面的传递，此时，应力集中的减小程度将取决于肘板尺寸的大小。一般情况下，增设肘板可以将该区域的应力集中系数降低40%50%左右，但是应力集中以及应力分布的不均匀情况依然存在。此外，当平面构件不是水密的，且平面构件之间的相对位移较小时，可以通过在一个平面构件中开设圆孔来达到降低相交区域的应力集中的目的，见图7。 实验与理论计算证明，通过开设圆孔不仅可以改变硬点附近的应力分布，而且可以明显降低硬点附近的应力集中，见图8。 然而，开孔尺寸不能过大，因为过

6、大的开孔尺寸将可能在开孔边缘上产生应力集中。图9为开孔尺寸D的变化所带来的应力集中变化情况。 因此，开孔尺寸的大小应适当限制，使其边缘上的应力集中情况不能超过硬点区域的应力集中系数。除了开设圆孔外，还可以通过改变孔的形状来降低应力集中系数。图10为开孔形状的改变所带来的应力变化情况。 通过上述曲线可知，开孔形状对应力集中系数的影响程度要小于开孔尺寸的影响。 如果平面构件之间的相对位移较大，以及平面构件承受很大的作用力时，可以使用如图11所描述的类似的方法来降低应力集中系数（图中的尺寸为模型实验尺寸），实验证明，这种方法有效可行。 另外一种降低第二类硬点区域应力集中系数的方法是在该区域增设覆板，

7、见图12。 在这种情况下，硬点将消失，力的传递将通过覆板来进行，而且最大应力也明显得到了降低，应力的峰值也转移到覆板的边缘位置上。这种加强方式在两个平面构件的相对位移不大、且增设肘板比较困难时较为适用，但在使用该加强方法时一定要确保覆板边缘位置上的焊缝质量。 2.3上层建筑端部区域结构的设计 上层建筑结构由于不同程度地要参加船体结构的总纵弯曲，其端部区域将产生很大的垂向作用力与位移，而该垂向作用力会促使上层建筑与主船体结构的脱离。为了承受垂向力的作用，规范中规定上层建筑的端壁应支撑在主船体的横舱壁上，或者在端壁下设置强构件。 当上层建筑的端壁作用在主船体的横舱壁结构上时，其相交线上的应力分布几

8、乎是均匀分布的，见图13。而当上层建筑端壁下设置强构件且用支柱支撑时，在连接点的位置上将出现应力的峰值，见图14，这些局部的应力集中有可能会带来结构上的裂纹。 为了避免裂纹的出现，可以通过以下两种途径来实现：一是通过设置额外的结构构件（如肘板与加强筋）及加厚该区域的甲板板与端壁板厚的方法来增强连接节点的强度；二是在上层建筑端壁与甲板的连接位置上设置弹性连接。 第一种方法并没有改变端壁连接结构处作用力的工作情况，因而，该区域依然存在着很大的垂向作用力。为了降低该区域的应力集中水平，势必需要较大程度地增加板厚；此外，增设肘板与加强筋并不能有效地降低应力集中系数，而且这些措施在一定程度上会给工厂的建

9、造成本及工作量带来不必要的负担，因此，这种方法不一定是是最有效的。第二种方法，即设置弹性连接的方法，从根本上改变了连接结构处的作用力工作情况。这种方法是在甲板下构件上开设长条形开口，通过开口来降低连接区域处的刚度，从而使该区域的整体结构在垂向方向上具有更大的弹性。这种方法避免了将垂向作用力过于集中地施加在连接节点上，而是将作用力更加均匀地施加到上层建筑端壁与甲板的连接线上，从而避免了连接节点上裂纹的出现，见图16。在这种方法中，通过在长条形开口的端部设置小的圆孔可以降低该开口端部的应力集中。而开口的结构形式应考虑以下因素：圆形开口的尺寸在考虑到机械加工便利的情况下不应大于0.4h（h为构件的腹板高度）。一定要注意开口的均匀过度，否则将会在开口截面变化的位置上产生应力集中，见图17。 实验证明，开口的均匀过渡能最大程度地降低应力集中情况。图18给出了国外实船所采用的弹性结构形式。采用了该种弹性结构的国外实船的测试结果表明，上层建筑端部区域的应力集中系数得到了大幅度的降低，构件开口上未出现应力集中情况，连接部位也未