冰載荷作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南 2025

冰載荷作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算 2 3 3 3 3 4 5 7 14 14 16 16 17 19 201.1.1本指南適用于申請(qǐng)極地級(jí)（PC1~7）、Icebreaker、Icebreaker*附加標(biāo)志船舶受冰載荷作用下的船體主要支撐構(gòu)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算評(píng)估。其他受冰載荷作用下的船舶也可參照使用。1.1.2冰載荷作用下的船體主要支撐構(gòu)件（含甲板、橫艙壁等）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)滿足本指南提供的線性或非線性分析要求。1.2.1CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（以下簡稱“鋼規(guī)”）、《重型破冰船規(guī)范》的定義適用本指南。1.2.2設(shè)計(jì)冰載荷Pavg：均勻分布在一長方形載荷板（高b和寬w）上的平均壓力，見鋼規(guī)第8篇第13章第2節(jié)13.2.3.4。1.2.3冰載荷板高度b：見鋼規(guī)第8篇第13章第2節(jié)13.2.3.3。1.2.4冰載荷板寬度w：見鋼規(guī)第8篇第13章第2節(jié)13.2.3.3。1.2.5船體區(qū)因子AF：反映船體各區(qū)域預(yù)期承受載荷的相對(duì)大小的因子，見鋼規(guī)第8篇第13章第2節(jié)13.2.3.5、《重型破冰船規(guī)范》第2節(jié)2.2.5。1.2.6冰壓力－變形曲線：表征冰壓力載荷與結(jié)構(gòu)變形關(guān)系的曲線。1.2.7側(cè)向變形：系指結(jié)構(gòu)件受冰載荷作用在其平面內(nèi)發(fā)生的彎曲變形。1.2.8面外變形：系指結(jié)構(gòu)件受冰載荷作用發(fā)生的偏離其平面的變形。1.2.9塑性應(yīng)變：又稱永久應(yīng)變，指應(yīng)力全部消失后結(jié)構(gòu)件仍保留的應(yīng)變。1.3.1應(yīng)將直接計(jì)算報(bào)告提交CCS備查。1.3.2線性直接計(jì)算報(bào)告應(yīng)至少包括如下內(nèi)容：（1）所使用的圖紙清單；（2）結(jié)構(gòu)有限元模型的詳細(xì)描述；（3）結(jié)構(gòu)模型和相關(guān)屬性圖形；（4）邊界條件的詳細(xì)描述；（5）所施加的載荷的詳細(xì)情況，包括冰載荷計(jì)算過程、載荷板尺寸、載荷作用圖等；（6）描述與載荷有關(guān)的結(jié)構(gòu)模型響應(yīng)的圖形和結(jié)果，以及按強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的符合性結(jié)果匯總、板格的屈曲分析和結(jié)果等；（7）必要時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的建議修改方案，包括修改后評(píng)估結(jié)果。1.3.3非線性直接計(jì)算報(bào)告至少包括如下內(nèi)容：（1）1.3.2（1）~（5）；（2）所使用的材料本構(gòu)關(guān)系說明；（3）描述與載荷有關(guān)的結(jié)構(gòu)模型響應(yīng)（變形、應(yīng)力、塑性應(yīng)變等）的圖形和結(jié)果；（4）構(gòu)件的冰壓力-變形曲線圖；（5）按強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的符合性結(jié)果匯總；（6）必要時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的建議修改方案，包括修改后的評(píng)估結(jié)果。1.4.1除另有規(guī)定外，本指南直接計(jì)算中，結(jié)構(gòu)模型構(gòu)件尺寸采用總提供厚度，總提供厚度定義見鋼規(guī)第9篇第1部分第3章第2節(jié)1.2.2。2.1.1本章給出了假定材料線彈性，在冰載荷作用下的船體主要支撐構(gòu)件線性強(qiáng)度直接計(jì)算的具體要求。2.1.2評(píng)估的主要支撐構(gòu)件包括：（1）橫向構(gòu)件：橫艙壁、橫向強(qiáng)框架、強(qiáng)肋骨，以及其他橫向板結(jié)構(gòu)；（2）縱向構(gòu)件：甲板/平臺(tái)、舷側(cè)縱桁，以及其他縱向板結(jié)構(gòu)；（3）首柱區(qū)域內(nèi)的主要支撐結(jié)構(gòu)（對(duì)于首/尾雙向航行的船舶，尾柱區(qū)域可參照首柱區(qū)域的要求進(jìn)行評(píng)估）。2.2.1建模范圍2.2.1.1結(jié)構(gòu)建模范圍應(yīng)避免邊界條件的影響。2.2.1.2可采用局部構(gòu)件模型或整體艙段模型對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行強(qiáng)度分析。2.2.1.3局部構(gòu)件模型一般以單個(gè)特定分析目標(biāo)位置為中心，其建模范圍應(yīng)至少如下（典型局部構(gòu)件模型示意圖見圖2.2.1.3）：（1）垂向：1檔舷側(cè)縱桁（或甲板平臺(tái)）+1檔舷側(cè)縱桁（或甲板平臺(tái)）+1檔舷側(cè)縱桁（或甲板平臺(tái)）；（2）縱向：2檔強(qiáng)框架+1檔強(qiáng)框架+2檔強(qiáng)框架；（3）橫向：舷側(cè)至2檔甲板縱桁或至內(nèi)殼、縱艙壁等。對(duì)于PC5及以上冰級(jí)船舶，應(yīng)延伸至船中縱線處。圖2.2.1.3局部構(gòu)件模型示意圖2.2.1.4如局部構(gòu)件模型范圍足夠大，能夠體現(xiàn)多個(gè)特定分析目標(biāo)并確保避免邊界影響，則也可使用局部構(gòu)件模型計(jì)算多個(gè)分析目標(biāo)。2.2.1.5整體艙段模型計(jì)算多個(gè)分析目標(biāo)時(shí)，其建模范圍應(yīng)至少如下（典型整體艙段計(jì)算模型見圖2.2.1.5）：（1）垂向：船底至主甲板；（2）縱向：當(dāng)分析目標(biāo)為強(qiáng)框架時(shí)，縱向延伸至分析目標(biāo)所在位置前/后至少2個(gè)強(qiáng)框架。當(dāng)分析目標(biāo)為橫艙壁時(shí)，縱向應(yīng)至少向橫艙壁前后延伸0.5個(gè)艙段范圍；（3）橫向：全寬。圖2.2.1.5典型整體艙段計(jì)算模型2.2.1.6在首尾型線收縮區(qū)域，經(jīng)CCS認(rèn)可，可在2.2.1.3、2.2.1.5的基礎(chǔ)上加大模型范2.2.2建模要求2.2.2.1單元類型和大小應(yīng)符合鋼規(guī)第2篇第1章第5節(jié)1.5.6.3的要求，且選擇單元類型一般按照以下原則：（1）線性強(qiáng)度直接計(jì)算一般采用粗網(wǎng)格模型進(jìn)行校核；（2）強(qiáng)框架、縱桁的腹板用殼單元模擬，殼單元的網(wǎng)格尺寸一般采用骨材間距。強(qiáng)框架、縱桁沿其高度方向一般不少于3個(gè)單元，對(duì)于腹板高度較小的可以使用2個(gè)單元建模；（3）主要支撐構(gòu)件上的面板可采用梁單元或殼單元模擬；（4）鑄鋼首柱可采用實(shí)體單元模擬。2.2.2.2主要支撐構(gòu)件腹板上開孔（含人孔）處理的方法應(yīng)根據(jù)表2.2.2.2的要求。主要支撐構(gòu)件腹板上開孔的處理表2.2.2.2h0/h≥0.5或g0≥2.0l0:平行于主要支撐構(gòu)件腹板方向的開孔長度，圖2.2.2.2(1)腹板上的開孔圖2.2.2.2(2)do<h/4的連續(xù)開孔的長度l02.2.3邊界條件2.2.3.1當(dāng)采用局部構(gòu)件模型時(shí)，邊界約束均見表2.2.3.1，詳見圖2.2.3.1。表2.2.3.1模型邊界約束θz-------圖2.2.3.1局部構(gòu)件模型邊界約束2.2.3.2當(dāng)采用整體艙段模型時(shí)，模型前后端面邊界約束采用剛性固定，詳見圖2.2.3.2。圖2.2.3.2整體艙段模型邊界約束2.3.1以冰載荷板的形式加載到有限元模型中。當(dāng)冰載荷板尺寸與模型網(wǎng)格尺寸不一致時(shí)，可根據(jù)需要將冰壓力施加到最接近的載荷板尺寸，并調(diào)整冰壓力，使調(diào)整后的載荷板上總力保持一致。PAF.Pavgwbadj=wmeshbmesh式中：Padj——調(diào)整后的冰壓力，MPa；Pavg——平均冰壓力，MPa，見1.2.2；w——載荷板寬度，m，見1.2.4；b——載荷板高度，m，見1.2.3；AF——船體區(qū)因子，見1.2.5；wmesh——最接近載荷板寬度的網(wǎng)格邊界寬度，m；bmesh——最接近載荷板高度的網(wǎng)格邊界高度，m。2.3.2冰載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算只需施加冰載荷，不需要疊加其他載荷，如靜水載荷、水動(dòng)力載荷和船體梁載荷等。2.3.3載荷板應(yīng)加載在彎曲和剪切聯(lián)合作用下構(gòu)件承載能力最弱的部位，并盡量遠(yuǎn)離約束邊界。2.3.4如分析區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)形式相似，則分析目標(biāo)可選取分析區(qū)域范圍內(nèi)具有代表性的典型結(jié)構(gòu)或者最弱結(jié)構(gòu)。2.3.5根據(jù)分析目標(biāo)不同，需要重點(diǎn)關(guān)注的冰載荷位置可參見表2.3.5。表2.3.5校核工況工況位置應(yīng)用對(duì)象備注LC1載荷板位于貨艙中部處舷側(cè)縱桁上舷側(cè)縱桁（強(qiáng)框間）見2.3.5(1)a、2.3.5(2)aLC2載荷板位于近橫艙壁處舷側(cè)縱桁上舷側(cè)縱桁（近橫艙壁處）LC3載荷板位于貨艙中部處甲板上甲板（強(qiáng)框間）LC4載荷板位于近橫艙壁處甲板上甲板（近橫艙壁處）LC5載荷板中心縱向位置位于構(gòu)件處，垂向位置位于構(gòu)件跨距端部處舷側(cè)縱桁（如有）上方。強(qiáng)肋骨/橫隔板（強(qiáng)框間）見2.3.5(1)c、2.3.5(2)cLC6載荷板中心縱向位置位于構(gòu)件處，垂向位置位于構(gòu)件跨距端部處舷側(cè)縱桁（如有）上方。強(qiáng)肋骨/橫隔板（近橫艙壁處）LC7載荷板中心縱向位置位于構(gòu)件處，垂向位置位于構(gòu)件跨距間。強(qiáng)肋骨/橫隔板（強(qiáng)框間）LC8載荷板中心縱向位置位于構(gòu)件處，垂向位置位于構(gòu)件跨距間。強(qiáng)肋骨/橫隔板（近橫艙壁處）LC9載荷板中心縱向位置位于構(gòu)件處，垂向位置位于構(gòu)件跨距端部處甲板（如有）上方。強(qiáng)肋骨/橫隔板（強(qiáng)框間）LC10載荷板中心縱向位置位于構(gòu)件處，垂向位置位于構(gòu)件跨距端部處甲板（如有）上方。強(qiáng)肋骨/橫隔板（近橫艙壁處）LC11載荷板中心縱向位置位于構(gòu)件處，垂向位置位于舷側(cè)縱桁（如有）上方。橫艙壁LC12載荷板中心縱向位置位于構(gòu)件處，垂向位置位于舷側(cè)縱桁/甲板間。橫艙壁LC13載荷板中心縱向位置位于構(gòu)件處，垂向位置位于甲板（如有）上方。橫艙壁LC14載荷板縱向位于首柱處，垂向位于首柱結(jié)構(gòu)典型位置。首柱區(qū)域內(nèi)主要支撐構(gòu)件2.3.5(3)注1：盡管如圖2.3.5所示，若其他位置有顯著結(jié)構(gòu)弱化的，也應(yīng)納入分析目標(biāo)。注2：分析目標(biāo)區(qū)域結(jié)構(gòu)排布、尺寸相似的，可以選取典型位置進(jìn)行分析。注3：首尾型線收縮處，應(yīng)加大分析目標(biāo)選取數(shù)量。注4：船底結(jié)構(gòu)（即船體區(qū)BIb、Mb、Sb）按圖2.3.5(1)加載，即載荷板高度方向b與骨架方向平行。(a)縱向構(gòu)件(b)舷側(cè)縱桁/甲板(c)橫向構(gòu)件(d)強(qiáng)肋骨/橫隔板(e)橫艙壁圖2.3.5(1)典型載荷板加載位置（橫骨架式）(a)縱向構(gòu)件(b)舷側(cè)縱桁/甲板(c)橫向構(gòu)件(d)強(qiáng)肋骨/橫隔板(e)橫艙壁圖2.3.5(2)典型載荷板加載位置（縱骨架式）圖2.3.5(3)典型載荷板加載位置（首柱）2.4.1主要支撐結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度應(yīng)滿足如下衡準(zhǔn)：（1）腹板、艙壁板和甲板板的名義剪切應(yīng)力應(yīng)不大于（2）強(qiáng)肋骨和水平桁的面板名義VonMises應(yīng)力應(yīng)不大于1.15ReH。2.5.1應(yīng)對(duì)極地船舶舷側(cè)承受冰載荷的主要支撐構(gòu)件，以及起支撐骨架作用的橫艙壁板、甲板板等板結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲強(qiáng)度評(píng)估。2.5.2對(duì)于橫艙壁、平臺(tái)/甲板等板結(jié)構(gòu)的屈曲評(píng)估范圍，應(yīng)取下列中的大者：（1）毗鄰平行的強(qiáng)肋骨或縱桁的腹板高度；（2）與板結(jié)構(gòu)相交的骨材構(gòu)件高度的2.5倍。2.5.3在屈曲強(qiáng)度評(píng)估中應(yīng)考慮雙軸向壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，且使用板的中面應(yīng)力來進(jìn)行屈曲強(qiáng)度評(píng)估。2.5.4屈曲強(qiáng)度評(píng)估應(yīng)基于凈構(gòu)件尺寸，在模型中扣除全部腐蝕增量tc，其取值應(yīng)不小于腐蝕/磨耗增量ts，詳見鋼規(guī)第8篇第13章第2節(jié)13.2.11.2和13.2.11.3。2.5.5應(yīng)對(duì)工作應(yīng)力進(jìn)行厚度修正后再用于屈曲評(píng)估，修正后的工作應(yīng)力按下式計(jì)算：MPa式中：σA——修正后的工作應(yīng)力；σ——計(jì)算得到的工作應(yīng)力；t——模型中的板厚；tc——腐蝕增量。2.5.6除本小節(jié)規(guī)定外，屈曲評(píng)估應(yīng)參照鋼規(guī)第2篇第2章附錄5第4節(jié)的相關(guān)要求進(jìn)行。屈曲強(qiáng)度應(yīng)滿足以下衡準(zhǔn)：式中：Wact——施加的等效應(yīng)力，詳見鋼規(guī)第2篇第2章附錄5第4節(jié)；WU——等效屈曲能力，詳見鋼規(guī)第2篇第2章附錄5第5節(jié)；γc——結(jié)構(gòu)失效時(shí)的應(yīng)力倍增因子；ηall——許用屈曲利用因子，取為1.0。3.1.1本章給出了在冰載荷作用下的船體主要支撐構(gòu)件非線性強(qiáng)度直接計(jì)算要求。3.1.2本章非線性強(qiáng)度直接計(jì)算計(jì)及材料非線性，應(yīng)考慮如下：（1）分析方法應(yīng)能可靠地模擬結(jié)構(gòu)的屈曲和塑性變形；（2）衡準(zhǔn)應(yīng)確保足夠的裕度以防止斷裂和屈曲與屈服為主導(dǎo)致的剛度明顯損失；（3）構(gòu)件的永久側(cè)向變形和面外變形與相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺度相比應(yīng)為較小值。3.1.3評(píng)估的主要支撐構(gòu)件包括：（1）橫向構(gòu)件：橫艙壁、橫向強(qiáng)框架、強(qiáng)肋骨，以及其他橫向板結(jié)構(gòu)；（2）縱向構(gòu)件：甲板、舷側(cè)縱桁，以及其他縱向板結(jié)構(gòu)；（3）首柱區(qū)域內(nèi)的主要支撐結(jié)構(gòu)（對(duì)于首/尾雙向航行的船舶，尾柱區(qū)域可參照首柱區(qū)域的要求進(jìn)行評(píng)估）。3.2.1采用非線性方法進(jìn)行直接強(qiáng)度分析時(shí)，除本節(jié)特別規(guī)定以外，還應(yīng)符合本指南第2章第2節(jié)相關(guān)規(guī)定。3.2.2評(píng)估區(qū)域應(yīng)采用細(xì)網(wǎng)格，細(xì)網(wǎng)格模型的范圍應(yīng)考慮冰載荷板的大小和支撐結(jié)構(gòu)的布置，一般應(yīng)包括如下：（1）縱向：2檔強(qiáng)框架+1檔強(qiáng)框架+2檔強(qiáng)框架；（2）垂向：1檔舷側(cè)縱桁（或甲板平臺(tái)）+1檔舷側(cè)縱桁（或甲板平臺(tái)）+1檔舷側(cè)縱桁（或甲板平臺(tái)）；（3）橫向：舷側(cè)至內(nèi)殼、縱艙壁或中縱線。3.2.3結(jié)構(gòu)建模3.2.3.1評(píng)估區(qū)域的板和骨材一般采用4節(jié)點(diǎn)的殼單元建模，在趾端、折角等應(yīng)力集中處應(yīng)盡可能避免使用三角形單元。3.2.3.2網(wǎng)格尺寸應(yīng)能合理地表示結(jié)構(gòu)的局部變形及應(yīng)力變化。通常單元尺寸應(yīng)不大于骨材間距的1/8。3.2.3.3對(duì)于高應(yīng)力的關(guān)鍵區(qū)域，有限元網(wǎng)格應(yīng)足夠精細(xì)，一般取50mm×50mm。3.2.3.4當(dāng)評(píng)估區(qū)域網(wǎng)格尺寸大于3.2.3.2的要求時(shí)，應(yīng)提交典型工況的網(wǎng)格敏感性分析并經(jīng)CCS確認(rèn)。3.2.3.5評(píng)估區(qū)域以外可采用粗網(wǎng)格建模，并應(yīng)滿足本指南第2章2.2.2的相關(guān)要求。細(xì)化網(wǎng)格與粗網(wǎng)格之間網(wǎng)格密度的過渡應(yīng)保持平穩(wěn)。圖3.2.4細(xì)網(wǎng)格模型示意圖3.2.4邊界條件見本指南第2章2.2.3。3.3.1材料模型通常應(yīng)能夠反映結(jié)構(gòu)的非線性行為。一般可采用雙線性應(yīng)力-應(yīng)變曲線的理想彈塑性材料，如圖3.3.1所示，AB為線彈性階段，斜率為彈性模量E。BC為彈塑性階段，斜率取彈性模量E的1/1000。如采用其他非線性材料模型，應(yīng)提交CCS確認(rèn)。圖3.3.1雙線性應(yīng)力-應(yīng)變曲線3.4.1應(yīng)基于非線性計(jì)算獲得的冰壓力-變形曲線進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估。如圖3.4.1所示，冰載荷采用增量法加載，達(dá)到目標(biāo)值Pe(見3.4.4)后卸載，進(jìn)而獲得結(jié)構(gòu)的永久變形δp。圖3.4.1冰壓力-變形曲線3.4.2為便于后續(xù)強(qiáng)度分析，冰壓力-變形曲線范圍應(yīng)至少涵蓋Pe。3.4.3對(duì)于側(cè)向變形，應(yīng)在構(gòu)件最大變形點(diǎn)垂直于外板方向量取。對(duì)于面外變形，應(yīng)在構(gòu)件最大變形點(diǎn)垂直原構(gòu)件平面量取。圖3.4.3（1）側(cè)向變形位移量取圖3.4.3（2）面外變形位移量取3.4.4用以獲得結(jié)構(gòu)永久變形、塑性應(yīng)變的冰載荷Pe按下式計(jì)算：eOavgP=CF.AFeOavg式中：CFO——過載系數(shù)，見表3.4.4。AF——船體區(qū)因子，見1.2.5。Pavg——設(shè)計(jì)冰載荷，見1.2.2。表3.4.4過載系數(shù)3.4.5可基于冰壓力-變形曲線按如下公式計(jì)算結(jié)構(gòu)永久變形：式中：P——冰載荷；δ——冰載荷P對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)變形；k——冰壓力-變形曲線彈性階段相對(duì)于變形軸的斜率。圖3.4.5塑性變形計(jì)算3.5.1載荷板應(yīng)設(shè)置在彎曲和剪切聯(lián)合作用下冰區(qū)加強(qiáng)范圍內(nèi)的構(gòu)件承載能力最弱的部位。應(yīng)特別關(guān)注結(jié)構(gòu)加強(qiáng)區(qū)域的減輕孔、開孔。表3.5.1給出了主要的工況。表3.5.1計(jì)算工況工況位置應(yīng)用對(duì)象變形備注LC1載荷板位于貨艙中部處舷側(cè)縱舷側(cè)縱桁（強(qiáng)框間）側(cè)向、面外桁上a、2.3.5(2)aLC2載荷板位于近橫艙壁處舷側(cè)縱桁上舷側(cè)縱桁（近橫艙壁處）側(cè)向、面外LC3載荷板位于貨艙中部處甲板上甲板（強(qiáng)框間）側(cè)向、面外LC4載荷板位于近橫艙壁處甲板上甲板（近橫艙壁處）側(cè)向、面外LC5載荷板中心縱向位置位于構(gòu)件處，垂向位置位于構(gòu)件跨距端部處舷側(cè)縱桁（如有）上方。強(qiáng)肋骨/橫隔板（強(qiáng)框間）側(cè)向、面外見2.3.5(1)c、2.3.5(2)cLC6載荷板中心縱向位置位于構(gòu)件處，垂向位置位于構(gòu)件跨距端部處甲板（如有）上方。強(qiáng)肋骨/橫隔板（近橫艙壁處）側(cè)向、面外LC7載荷板中心縱向位置位于構(gòu)件處，垂向位置位于構(gòu)件跨距間。強(qiáng)肋骨/橫隔板（強(qiáng)框間）側(cè)向、面外LC8載荷板中心縱向位置位于構(gòu)件處，垂向位置位于構(gòu)件跨距間。強(qiáng)肋骨/橫隔板（近橫艙壁處）側(cè)向、面外LC9載荷板中心縱向位置位于構(gòu)件處，垂向位置位于構(gòu)件跨距端部處舷側(cè)縱桁（如有）上方。強(qiáng)肋骨/橫隔板（強(qiáng)框間）側(cè)向、面外LC10載荷板中心縱向位置位于構(gòu)件處，垂向位置位于構(gòu)件跨距端部處甲板（如有）上方。強(qiáng)肋骨/橫隔板（近橫艙壁處）側(cè)向、面外LC