27 000 DWT化學(xué)品/成品油船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算

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(1.中國(guó)船級(jí)社，北京 100007;2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,武漢 430063)

27 000 DWT化學(xué)品/成品油船是按照《雙殼油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》(common structural rules for double hull oil tankers，CSR)[1]要求設(shè)計(jì)的油船。采用MSC Patran/Nastran和中國(guó)船級(jí)社開(kāi)發(fā)的CSR計(jì)算軟件CCS-Tools，對(duì)27 000 DWT化學(xué)品/成品油船貨艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了屈服強(qiáng)度評(píng)估和屈曲強(qiáng)度評(píng)估，同時(shí)對(duì)高應(yīng)力區(qū)域做了細(xì)化網(wǎng)格有限元分析。

1 船舶主尺度和主要參數(shù)

該船為雙底、雙殼、單甲板油船，縱橫艙壁均為槽形艙壁，不設(shè)底凳和頂?shù)?。貨艙區(qū)共12個(gè)貨艙，一道中縱艙壁。航行中無(wú)風(fēng)暴壓載。

總長(zhǎng)176.20 m；垂線間長(zhǎng)168.00 m；

型寬27.00 m；型深14.00 m；

設(shè)計(jì)吃水9.00 m；結(jié)構(gòu)吃水9.20 m。

2 有限元模型

2.1 常規(guī)網(wǎng)格模型

艙段分析采用6個(gè)完整貨艙的有限元模型，中部貨艙為評(píng)估對(duì)象。有限元模型的縱向范圍覆蓋6個(gè)貨艙和4道橫艙壁。模型兩端為垂直平面，包含端面的強(qiáng)框架?？紤]到載荷的不對(duì)稱性，有限元模型應(yīng)包括船體的左舷和右舷及整個(gè)型深。建模包括所有的縱向和橫向主要構(gòu)件:內(nèi)殼和外板結(jié)構(gòu)、雙層底肋板和縱桁系統(tǒng)、橫向強(qiáng)框架、槽型縱橫艙壁。構(gòu)件上所有的板材和骨材、包括腹板加強(qiáng)筋，都應(yīng)模型化。

該船建立了第3、4、5(P&S)共6個(gè)艙的模型，見(jiàn)圖1。粗網(wǎng)格評(píng)估時(shí)有212 929個(gè)自由度，39 325個(gè)節(jié)點(diǎn)，15 323個(gè)梁?jiǎn)卧? 984個(gè)桿單元，43 491個(gè)四邊形單元，1 369個(gè)三角單元。

圖1 常規(guī)網(wǎng)格模型

CSR規(guī)范對(duì)于油船采用高級(jí)屈曲方法。軸向壓應(yīng)力和剪應(yīng)力分布應(yīng)從有限元分析得到并施加于屈曲模型。

2.2 細(xì)化網(wǎng)格模型

《CSR油船規(guī)范》指定了必須細(xì)化的部位，除這些要求細(xì)化的部位外，如果結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位的應(yīng)力水平超出艙段分析驗(yàn)收衡準(zhǔn)，或者艙段有限元模型不足以反映結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的幾何形狀，也應(yīng)進(jìn)行細(xì)化分析。

細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域的網(wǎng)格尺寸應(yīng)不大于50 mm×50 mm。細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域的范圍在校核區(qū)域的所有方向應(yīng)不少于10個(gè)單元。細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的所有板材應(yīng)以殼單元表示。網(wǎng)格密度的過(guò)渡應(yīng)保持平穩(wěn)。細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)單元的長(zhǎng)寬比應(yīng)盡可能保持接近1，應(yīng)避免網(wǎng)格密度的變化和三角形單元的使用。任何情況下，單元的長(zhǎng)寬比應(yīng)不超過(guò)3。細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的扶強(qiáng)材應(yīng)使用板單元建模。細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域外的扶強(qiáng)材可使用梁?jiǎn)卧！?/p>

由于《CSR油船規(guī)范》要求細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)單元的建模厚度應(yīng)基于凈厚度，即總厚度減去全部腐蝕增量厚度tcorr。細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域外單元的建模厚度應(yīng)基于艙段有限元分析中使用的總厚度減去一半腐蝕增量0.5tcorr的縮減厚度，所以細(xì)化分析時(shí)采用把細(xì)化網(wǎng)格模型嵌入艙段有限元模型中進(jìn)行。

對(duì)位于中間艙的典型強(qiáng)框架關(guān)鍵部位的大肘板趾部和開(kāi)孔、底邊艙上折角、縱向槽型艙壁與內(nèi)底和雙層底支撐結(jié)構(gòu)相交處進(jìn)行細(xì)化分析。底邊艙上折角和下折角細(xì)化網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2。

圖2 底邊艙上折角和下折角細(xì)化網(wǎng)格模

3 計(jì)算工況

屈服強(qiáng)度評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)工況按CSR附錄B選?。磺鷱?qiáng)度評(píng)估采用CSR附錄D的高級(jí)屈曲方法，其中艙壁槽條的局部屈曲和主要支撐構(gòu)件開(kāi)孔處的腹板局部屈曲按CSR第10節(jié)的衡準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估。

由于評(píng)估項(xiàng)目繁多、工況復(fù)雜，各船級(jí)社紛紛開(kāi)發(fā)自動(dòng)加載程序。該船計(jì)算采用CCS研發(fā)中心開(kāi)發(fā)的CCS-Tools工具，對(duì)有限元模型進(jìn)行自動(dòng)加載。屈服加載時(shí)，正確分組、加載完成后，進(jìn)行第一次計(jì)算。計(jì)算完成讀入數(shù)據(jù)后，該程序?qū)δＰ投瞬康膹澗?、剪力進(jìn)行修正，修正完成后，重新進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果才能評(píng)估各工況下構(gòu)件的屈服強(qiáng)度；屈曲評(píng)估是在屈服計(jì)算的基礎(chǔ)上采用高級(jí)屈曲的方法進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)果分析

4.1 整體艙段有限元分析

4.1.1 屈服強(qiáng)度

《CSR規(guī)范》要求對(duì)構(gòu)件的Von Mises相當(dāng)應(yīng)力作評(píng)估，提出利用因子的概念。在不同的載荷組合下利用因子不同，且不同結(jié)構(gòu)處的利用因子也不相同。通過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，由于本船不設(shè)頂?shù)实椎?，與槽型艙壁相交的甲板和內(nèi)底板部分應(yīng)力偏大，橫向和縱向槽型艙壁相交處應(yīng)力偏大。本船屈服強(qiáng)度不夠的結(jié)構(gòu)，采用增加板厚的方法降低其應(yīng)力水平或提高鋼級(jí)增加其應(yīng)力評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，從而滿足規(guī)范要求。

計(jì)算中充分利用CCS-Tools提供的屈服評(píng)估工具，在生成的JTP-Ratio 結(jié)果中，可以清晰地看到構(gòu)件的應(yīng)力與屈服應(yīng)力和許用屈服利用因子的比值。比值大于1， 即為不滿足規(guī)范要求。

該船不設(shè)底凳結(jié)構(gòu)，艙壁及其支撐處構(gòu)件許用應(yīng)力減少10%。由于開(kāi)孔采用等效板厚處理，不滿足粗網(wǎng)格評(píng)估衡準(zhǔn)的區(qū)域?qū)⒂杉?xì)化后再做評(píng)估。

船體構(gòu)件的 JTP-Ratio 最大比值見(jiàn)表1，其中艙室邊界結(jié)構(gòu)1(非槽型艙壁構(gòu)件)最終板厚下最嚴(yán)重工況的 JTP-Ratio比值云圖見(jiàn)圖3。

表1 船體構(gòu)件的 JTP-Ratio 最大比值

圖3 艙室邊界結(jié)構(gòu)1(非槽型艙壁構(gòu)件)

4.1.2 屈曲強(qiáng)度

《CSR油船規(guī)范》屈曲強(qiáng)度評(píng)估采用高級(jí)屈曲的方法。所考察的板格數(shù)量大、工況多，計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)該船的計(jì)算分析，貨艙中部區(qū)域板格的屈曲利用因子較大。對(duì)屈曲強(qiáng)度不滿足的構(gòu)件除了增加板厚外，加筋將板格變小也是很有效的方法。為嚴(yán)格控制空船重量，需要合理地選擇加厚區(qū)域，逐步增加板厚，經(jīng)計(jì)算后確定最終的板厚。CCS開(kāi)發(fā)的CSR油船屈曲評(píng)估工具可以同時(shí)顯示所有工況中屈曲利用因子最大的工況，便于查看分析。

圖4給出最終板厚下船底板的各個(gè)板格在各自最嚴(yán)重工況下的屈曲利用因子云圖。

圖4 船底板屈曲評(píng)

4.2 詳細(xì)應(yīng)力評(píng)估

開(kāi)孔處的細(xì)化分析結(jié)果均能滿足衡準(zhǔn)要求，圖5給出強(qiáng)框架在載荷組合S+D情況下的最危險(xiǎn)工況相當(dāng)應(yīng)力云圖，圖6 給出底邊艙框架開(kāi)孔處的相當(dāng)應(yīng)力云圖。

5 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算，對(duì)不符合規(guī)范要求的區(qū)域增加板厚或提高鋼級(jí)，使該船滿足共同規(guī)范。

圖5 強(qiáng)框架最危險(xiǎn)工況應(yīng)力云圖(載荷組合S+D)

圖6 細(xì)化區(qū)域應(yīng)力分布云圖(底邊艙隔板)

[1] 中國(guó)船級(jí)社.雙舷油船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范[M].北京：人民交通出版社,2009.

[2] 王杰德，楊永謙.船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1995.

[3] 陳鐵云，陳伯真.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,1991.