淺談?dòng)邢拊治鲈谂撋w計(jì)算中的應(yīng)用

陳 方

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 200032）

0 前言

作為船上最大的設(shè)備之一的艙蓋具有多種型式，最著名的艙蓋是最早的單拉滾翻式艙蓋，它開辟了鋼制艙蓋的新時(shí)代?，F(xiàn)代艙蓋可以劃分為三種基本類型：吊離式艙蓋、側(cè)移式艙蓋以及折疊式艙蓋。一艘干貨船露天甲板的艙蓋具備以下基本功能：在開啟的位置，它為裝卸貨物提供進(jìn)入貨艙的通道，而在關(guān)閉的位置，它密封貨艙口使貨物不受惡劣天氣和海況的影響。隨著集裝箱化的進(jìn)展,承受更大的甲板載荷已經(jīng)成為露天甲板單跨艙蓋一種新的、不可缺少的功能。這就要求艙蓋設(shè)計(jì)者將設(shè)計(jì)出輕巧而又結(jié)實(shí)的艙蓋視為終極目標(biāo)。在以往的強(qiáng)度校核中,多數(shù)是以單跨梁的形式來進(jìn)行計(jì)算校核,不考慮有縱橫多塊艙蓋之間相互牽制作用。隨著現(xiàn)代船型的巨型化，船級(jí)社對(duì)艙蓋設(shè)計(jì)要求提高,過去的計(jì)算方法略顯粗糙，所以從2006年開始，中國船級(jí)社要求對(duì)艙蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模計(jì)算、強(qiáng)度分析和評(píng)估。由于7 800 DWT多用途船是比較典型的大開口的多用途船,而艙蓋也是典型的采用橫向接縫的單艙口并排式艙蓋,所以本文就以該船的艙蓋設(shè)計(jì)為例分析有限元模型在艙蓋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 艙蓋強(qiáng)度的有限元計(jì)算

1.1 有限元模型的建立

本計(jì)算采用有限元分析的方法,有限元計(jì)算應(yīng)用MSC.PATRAN/NASTRAN軟件。計(jì)算模型的建立按照中國船級(jí)社的有關(guān)規(guī)定。有限元建立在笛卡爾坐標(biāo)系中，X軸沿船體縱向指向船首，Y軸沿船寬方向指向左舷，Z向沿船體由船底垂直指向甲板。有限元模型包括一個(gè)艙口所有艙蓋板的頂板，橫縱向桁材及桁材面板，小梁等主要構(gòu)件。計(jì)算模型采用凈厚度（扣除了2mm腐蝕余量），單元網(wǎng)格大小按照加強(qiáng)筋間距。模型見圖1。

圖1 第一艙艙口蓋

1.2 計(jì)算載荷

強(qiáng)度的計(jì)算工況將分成三種：均布載荷、20 ft集裝箱集中載荷及40 ft集裝箱集中載荷。分別計(jì)算艙蓋結(jié)構(gòu)所能承受的最大載荷。

1.2.1 均布載荷

中國船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》（以下簡稱“鋼規(guī)”）（2006版）規(guī)定艙蓋進(jìn)行直接計(jì)算時(shí)，在位置1，即0≤x≤0.25 LL，其均布載荷應(yīng)按公式：

34.3+［14.7+（LH-100）a］（1-4x/LL） （LL≥100m）

式中：

LH——載重線船長，且不大于340m；

LL——垂線間長；

x——艙口蓋板格中點(diǎn)至LL前端的縱向距離；

a——系數(shù)（B型干舷船，α取0.0726；減少干舷船，α 取 0.356）。

對(duì)于處于位置1的第一艙的艙蓋從首向尾，每塊艙蓋的均布載荷都是不同的，最大載荷為向首第一塊41.8 kN/m2,而在位置1以外的載荷全部為34.3 kN/m2。這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)，首部第一艙每塊艙蓋的結(jié)構(gòu)尺寸都將是不同的。載荷分布情況，見圖2。

圖2 均布載荷分布圖

1.2.2 集裝箱載荷

20 ft集裝箱艙蓋所受載荷為24 t/堆,40 ft集裝箱艙蓋所受載荷為30.5 t/堆。

載荷分布情況見圖3和圖4。

圖3 20 ft集裝箱受力分布圖

圖4 40 ft集裝箱受力分布圖

1.3 邊界條件

對(duì)橫向線位移的約束,約束點(diǎn)位于模型側(cè)板上橫向限位裝置處，其約束條件是y=0；

對(duì)縱向線位移的約束，約束點(diǎn)位于模型側(cè)板上縱向限位裝置處，其約束條件是x=0；

對(duì)垂向線位移的約束，約束點(diǎn)位于模型的端板和側(cè)板的支承塊處，其約束條件是z=0；

邊界條件見圖5。

圖5 邊界條件圖

1.4 計(jì)算結(jié)果及強(qiáng)度評(píng)估

艙蓋的主要構(gòu)件大多數(shù)布置在集裝箱箱角處,由于在集裝箱載荷作用下,局部結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生高應(yīng)力,因此在有限元模型中對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件和容易引起應(yīng)力集中的局部構(gòu)件（如橫梁和縱桁的腹板及側(cè)板和端板）再進(jìn)行了單元網(wǎng)格細(xì)化，使有限元模型的計(jì)算結(jié)果能較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的響應(yīng)。

1.4.1 屈服強(qiáng)度評(píng)估（見圖6～圖13）

圖6 均布載荷時(shí)板單元最大彎曲應(yīng)力

圖7 均布載荷時(shí)最大撓度

圖8 20 ft集裝箱載荷時(shí)板單元最大彎曲應(yīng)力

圖9 20 ft集裝箱載荷時(shí)板單元最大剪應(yīng)力

圖10 20 ft集裝箱載荷時(shí)最大撓度

圖11 40 ft集裝箱載荷時(shí)板單元最大彎曲應(yīng)力

圖12 40 ft集裝箱載荷時(shí)板單元最大剪應(yīng)力

圖13 40 ft集裝箱載荷時(shí)最大撓度

本模型主要結(jié)構(gòu)材質(zhì)均為“AH36”高強(qiáng)度鋼，即ReH=355N/mm2。

均布載荷下的許用彎曲應(yīng)力為：

［σ］=0.8×ReH=0.8×355=284N/mm2均布載荷下的許用變形為：［f］=0.005 61集裝箱載荷下的許用彎曲應(yīng)力為：

［σ］=0.5×ReH=0.5×355=177.5N/mm2

集裝箱載荷下的許用變形為：［f］=0.002 81許用剪應(yīng)力為：

［τ］=0.292×ReH=0.292×355=103.66N/mm2具體校核數(shù)值見表1～表3。

表1 第一艙艙蓋板屈服應(yīng)力與變形校核（均布載荷）

表2 第一艙艙蓋板屈服應(yīng)力與變形校核（20 ft集裝箱載荷）

表3 第一艙艙蓋板屈服應(yīng)力與變形校核（40 ft集裝箱載荷）

1.4.2 屈曲強(qiáng)度評(píng)估

根據(jù)“鋼規(guī)”第8章8.11.3.6進(jìn)行臨界屈曲應(yīng)力校核。見表4～表6。

（1）對(duì)于垂直于扶墻材方向的主要支撐構(gòu)件彎曲而引起的艙口蓋板板格的平均壓應(yīng)力σ,應(yīng)不超過臨界屈曲應(yīng)力σc1的0.8倍，σc2應(yīng)按下列兩式計(jì)算：

表4 垂直于扶強(qiáng)材方向頂板臨界屈曲應(yīng)力校核

表5 扶強(qiáng)材帶板臨界屈曲應(yīng)力校核

表6 橫梁和縱桁腹板臨界屈曲剪切應(yīng)力校核

式中：

ReH——材料屈服應(yīng)力，N/mm2；

E 取 2.06×105N/mm2；

t——板格的凈厚度，mm；

S——扶強(qiáng)材的間距，m；

SS——板格的短邊長度，m；

lS——板格的長邊長度，m；

ψ——最小壓應(yīng)力與最大壓應(yīng)力之比值；

c取 1.21。

（2）對(duì)于平行于扶強(qiáng)材方向的主要支撐構(gòu)件的彎曲而引起的艙口蓋扶強(qiáng)材帶板中的壓應(yīng)力（σ），應(yīng)不超過臨界屈曲應(yīng)力σσ的0.8倍，σσ應(yīng)按下列兩式計(jì)算：

式中：

ReH——材料屈服應(yīng)力，N/mm2。

σES取 σE3和 σE4中較小值。

式中：

E=2.06×105N/mm2；

Ia——扶強(qiáng)材的慣性矩，cm4；

A——扶強(qiáng)材的橫剖面面積，m2；

l——扶強(qiáng)材跨距，m。

（3）艙口蓋主要支撐構(gòu)件腹板板格的剪切應(yīng)力（τ）應(yīng)不超過臨界屈曲應(yīng)力τC的0.8倍，τC應(yīng)按下列兩式計(jì)算：

式中：

ReH——材料屈服應(yīng)力，N/mm2；

E=2.06×105N/mm2；

tpr,n——主要支撐構(gòu)件腹板的凈厚度，mm；

d——腹板板格中短邊長度，m；

a——腹板板格中長邊長度，m。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 艙蓋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)屈曲強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的經(jīng)驗(yàn),加強(qiáng)筋的間距為500mm～550mm左右為適當(dāng)。以往的設(shè)計(jì)不考慮相關(guān)結(jié)構(gòu)間相互作用等因素，所以看不出整個(gè)艙口艙蓋板變形的不同變化，在跨距和外部載荷相同的條件下，認(rèn)為每塊艙蓋的撓度是相同的，構(gòu)件所取板厚與形式也一樣。通過有限元模型從以上表格和附圖中,我們可以看出，因?yàn)榕撋w板受載荷工況和邊界條件的不同，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)形式也會(huì)不同，應(yīng)力較大處的結(jié)構(gòu)應(yīng)較強(qiáng)些。一個(gè)艙口中的幾塊艙蓋板在接縫處是從兩邊向中間有序開啟的,相互的牽制作用使各塊艙蓋所受應(yīng)力值是不同的，而變形一般也是中間艙蓋最大，兩邊遞減，因而變形大的頂板及主梁板厚取大些。主橫梁在側(cè)板處所受剪切力最大,腹板兩端所取板厚較大些。采用邊計(jì)算、邊分析、逐步優(yōu)化的方法，通過與應(yīng)力衡準(zhǔn)值比較，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐步趨向優(yōu)化，結(jié)構(gòu)分布更合理，自重得到減輕。

2.2 為相應(yīng)的船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)提供更準(zhǔn)確的依據(jù)

在以往的設(shè)計(jì)中，艙蓋作用在艙口圍上受力點(diǎn)（支承塊、限位裝置等）的載荷，往往是根據(jù)受力點(diǎn)數(shù)量平分的，每個(gè)受力點(diǎn)載荷是相同的。而通過有限元模型我們可以清楚的看到，每塊艙蓋上集裝箱的布置、結(jié)構(gòu)的分布和支承塊及限位裝置的布置的不同都會(huì)引起受力點(diǎn)載荷的變化，所以每個(gè)受力點(diǎn)載荷是不相同的。而船體艙口圍加強(qiáng)可根據(jù)載荷的大小進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，這樣能提高結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的準(zhǔn)確性，見圖14。

圖14 受力點(diǎn)載荷的分布圖

2.3 提供主要結(jié)構(gòu)重量

以往，艙蓋設(shè)計(jì)好后估算艙蓋重量時(shí)，要進(jìn)行人工輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，花費(fèi)大量時(shí)間。而通過有限元模型建模，可以直接讀取模型中的結(jié)構(gòu)重量，減少大量的工作量，提高了效率。

3 結(jié)語

通過上述有限元的建模計(jì)算，我們可以比常規(guī)的按規(guī)范計(jì)算更精確地把握結(jié)構(gòu)的受力狀況，使得艙蓋結(jié)構(gòu)滿足新規(guī)范的要求，減少鋼材使用，減輕了艙蓋自重，設(shè)計(jì)更加合理，保證了整條船舶的經(jīng)濟(jì)性。