40000 DWT散貨船艙段強度有限元分析

肖茵茨

摘要：船舶貨艙受到壓載水壓力荷載、貨物壓力荷載、舷外水壓力荷載的作用，艙段結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜。本文借助有限元軟件MSC.PATRAN/NASTRAN，對40 000 DWT散貨船貨艙結(jié)構(gòu)計算分析。計算結(jié)果可以清楚表達結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，為設(shè)計者提供有效設(shè)計經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：散貨船；艙段；有限元；應(yīng)力分布

Abstract: Since ship cargo hold is exposed to ballast water pressure load, goods pressure load and overboard water pressure load, the force on the cargo hold section is complex. This paper carries out calculation analysis on the structure of cargo hold for 40 000 DWT bulk carrier with finite element software MSC.PATRAN/NASTRAN. The result fully illustrates the stress distribution, which provides effective design experience for designer.

Key words: Bulk carrier;Cargo hold section;Finite element;Stress distribution

1概述

為了保證散貨船船體結(jié)構(gòu)在正常使用過程和一定的使用年限中具有不破壞或不發(fā)生過大變形的能力，有必要進行船體強度計算。主要方法為以艙段或者整船為建模對象的有限元分析方法。但由于計算機硬件的限制，整船有限元建模方式并沒有得到廣泛的應(yīng)用，目前占主導(dǎo)地位的是船舶艙段模型的有限元計算方法。本文根據(jù)中國船級社《雙舷側(cè)散貨船結(jié)構(gòu)強度直接計算指南》2004版（以下簡稱《指南》）要求，對40 000 DWT散貨船貨艙區(qū)域主要構(gòu)件應(yīng)用三維有限元軟件進行強度直接計算，計算載荷計及艙內(nèi)貨物載荷、舷外水載荷。

2結(jié)構(gòu)形式

40 000 DWT散貨船，貨艙區(qū)域為單殼、雙底結(jié)構(gòu)，肋骨間距為750 mm；雙層底高1 550 mm，強框架間距按3個肋位；艙口圍板、甲板、頂邊艙斜板、頂邊艙垂板、舷頂列板、舷頂下列板及11 200平臺區(qū)域采用DH36高強度鋼，其余部位采用普通鋼。

圖1艙段有限元模型示意圖

3 結(jié)構(gòu)有限元模型

3.1模型范圍

采用三維有限元模型，選取散貨船貨艙區(qū)的1/2個第四貨艙+1個第三貨艙+1/2第二個貨艙，艙段模型的縱向范圍從肋位FR95~FR174，垂向范圍為船體型深；由于艙段結(jié)構(gòu)和計算載荷對稱于縱中剖面，因此艙段模型取左舷，即橫向范圍為半個船體型寬，有限元模型見圖1。坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手坐標(biāo)系，見圖1所示，原點O位于FR95號船底中線處，x軸向船首為正方向，y軸向左舷為正方向，z軸向上為正方向。

3.2邊界條件

模型后端面，即FR174處保持平端面假設(shè)，在該剖面中和軸處建立一個獨立點，端面上其他節(jié)點與獨立點相關(guān)，在獨立點上施加彎矩；模型前端面，即FR95處保持平端面假設(shè)，在該剖面中和軸處建立一個獨立點，端面上其他節(jié)點與獨立點相關(guān)，在獨立點上施加彎矩,詳細邊界條件見表1。

表1邊界條件

4載荷

4.1計算工況

本文考慮應(yīng)用于所有協(xié)調(diào)附加標(biāo)志的一般裝載狀態(tài)和應(yīng)用于在港裝卸的附加裝載狀態(tài)。對于在港裝卸的附加裝載狀態(tài)，不計入波浪荷載（壓力和彎矩）的影響。詳細計算工況見表2。

5計算結(jié)果

5.1變形云圖

見圖2。

圖2中間艙段變形分布圖

5.2應(yīng)力云圖

見圖3。

圖3中間艙段應(yīng)力分布圖

5.3結(jié)果分析

本文運用有限元法，先后對上述七種工況進行直接計算，計算結(jié)果表明：

1) 七種計算工況下，中間艙段均有較大變形，較大變形主要分布在舷側(cè)和底部。其中LC01、LC02b兩個重載工況下，艙口縱向圍板變形較大。在變形較大處，可以考慮對結(jié)構(gòu)形式進行適當(dāng)處理，以抵御過大變形。

2) 較大應(yīng)力分布主要在甲板和底部。根據(jù)應(yīng)力分布情況，主甲板、艙口圍板等相應(yīng)構(gòu)件應(yīng)為高強度鋼，以滿足結(jié)構(gòu)強度要求。

3) 中間艙段的艙口角隅附近會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，對此處肘板的結(jié)構(gòu)形式、厚度都應(yīng)做適當(dāng)加強、加厚處理。

4) 在LC12c工況下，艙段首方向端面下部應(yīng)力較為集中，但相對其他六個工況而言，應(yīng)力水平最小，對船舶結(jié)構(gòu)強度要求相對較低。

5) 七種計算工況下，中間艙段均未發(fā)生屈服狀況。因此，船體結(jié)構(gòu)變形均在彈性變形范圍之內(nèi)，從而保證船體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

艙段結(jié)構(gòu)有限元計算是一項費時耗力的工作，需要合理地簡化計算模型。建模過程中必須用合理的單元對船體構(gòu)件進行模擬。根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)計者可以對應(yīng)力較為集中和變形較大的的構(gòu)件進行優(yōu)化處理，選擇合適的材料和合理的結(jié)構(gòu)形式，從而進一步改善船體結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性?？傊O(shè)計者通過直接計算，可以有針對性地改進船體結(jié)構(gòu)，較為經(jīng)濟地使用材料；進而提高船舶效能指數(shù)，達到綠色環(huán)保造船的目的。

表2計算工況

參考文獻

[1] 中國船級社. 雙舷側(cè)散貨船結(jié)構(gòu)強度直接計算指南[M].北京: 人民交通出版社, 2004

[2] 中國船級社. 鋼制海船入級規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2006

[3] 劉兵山.黃聰. Patran從入門到精通[M].北京: 中國水利電力出版社, 2003