基于有限元法的96.8米散貨船總縱及橫向強(qiáng)度評(píng)估

馮朝富　張偉

摘 要:本論文以一艘96.8m散貨船為對(duì)象,采用有限元軟件,根據(jù)CCS《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范(2009)》的要求,建立中部艙段模型,對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行總縱強(qiáng)度和橫向強(qiáng)度評(píng)估。結(jié)果表明,該散貨船艙段的主要構(gòu)件均能滿足09規(guī)范的強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞:散貨船總縱強(qiáng)度橫向強(qiáng)度有限元法

中圖分類號(hào):U663 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)07(c)-0006-02

隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,船舶運(yùn)輸?shù)淖饔萌找嬷匾?。由于全球?qū)ι⒇涍\(yùn)輸?shù)拇罅啃枨笠约吧⒇涍\(yùn)輸特有的廉價(jià)和方便,散貨船運(yùn)輸在海上貨物運(yùn)輸中所占的地位日益重要,在貨運(yùn)總量中所占的比重也越來(lái)越大,運(yùn)輸量占所有海上貨運(yùn)總量的33％,僅次于油輪運(yùn)輸[1]。船舶在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生海損事故,造成經(jīng)濟(jì)損失和人員生命安全等問(wèn)題,所以研究船舶強(qiáng)度一直以來(lái)都是人們所關(guān)注的問(wèn)題[2]。

1 有限元計(jì)算總縱強(qiáng)度

本船為雙層底、雙舷側(cè)、單甲板、抗扭箱、舷側(cè)與首尾為橫骨架式,貨艙雙層底為縱骨架式,運(yùn)輸干散貨。本船的主尺度及主要參數(shù)為:總長(zhǎng)96.80m,兩柱間長(zhǎng)91.70m,型寬16.10m,型深7.38m,設(shè)計(jì)吃水6.48m,方型系數(shù)0.852。

1.1 有限元模型

因?yàn)閷?shí)船只有兩個(gè)貨艙,根據(jù)CCS《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范(2009)》(以下簡(jiǎn)稱09規(guī)范)[3],該艙段模型縱向范圍從Frame39到Frame114,橫向范圍為船體型寬,垂向范圍為船體型深,中間有一道橫艙壁,有限元模型見(jiàn)圖1。

1.2 邊界條件

根據(jù)CCS《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范(2009)》,對(duì)于中部艙段有限元模型,在兩端面中和軸與中縱剖面交點(diǎn)處各建立一個(gè)獨(dú)立點(diǎn)A、B,端面上的各節(jié)點(diǎn)與獨(dú)立點(diǎn)進(jìn)行剛性關(guān)聯(lián);兩端面施加端面彎矩,分別選取靜水中拱、靜水中垂、波峰在舯和波谷在舯時(shí)的船舶總縱彎矩絕對(duì)值最大的彎矩曲線,插值得到計(jì)算艙段前、后端面的彎矩,并將它們施加到獨(dú)立點(diǎn)A和B上。

1.3 載荷施加[3]

本論文選取總縱強(qiáng)度載荷最大,最危險(xiǎn)的工況—滿載到港,進(jìn)行具體研究。載荷包括舷外水壓力、貨物重量、結(jié)構(gòu)自重。舷外水壓力載荷應(yīng)根據(jù)計(jì)算工況船舶處于平衡狀態(tài)時(shí)的波面,按壓力分布施加到模型的濕表面各單元上。貨物載荷應(yīng)根據(jù)計(jì)算工況的貨物分布,按分布力施加到甲板或底板相應(yīng)單元上。結(jié)構(gòu)重量載荷應(yīng)根據(jù)空船重量分布,以適當(dāng)方式施加到模型上。

1.4 計(jì)算結(jié)果

采用有限元分析方法進(jìn)行直接計(jì)算,可以得到強(qiáng)力甲板以下各構(gòu)件的應(yīng)力值,將各主要構(gòu)件應(yīng)力值與許用應(yīng)力值進(jìn)行比較,結(jié)果如表1所示,該散貨船艙段主要構(gòu)件的總縱強(qiáng)度基本能滿足09規(guī)范要求,但局部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,主要是在甲板艙口角隅處,超過(guò)了許用應(yīng)力值,有待加強(qiáng)。

1.5 甲板艙口角隅處的加強(qiáng)

艙口角隅板的原始尺寸為:厚18mm,圓弧半徑600mm。將以下四種艙口角隅板尺寸的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,具體數(shù)值見(jiàn)表2。(1)厚度18mm,圓弧半徑0.6m。(2)厚度24mm,圓弧半徑0.6m。(3)厚度18mm,圓弧半徑1.2m。(4)厚度24mm,圓弧半徑1.2m。

由表可知:加大厚度的最大相當(dāng)應(yīng)力比原來(lái)減小5MPa;加大尺寸的最大相當(dāng)應(yīng)力比原來(lái)減小20MPa;兩者同時(shí)改變的最大相當(dāng)應(yīng)力比原來(lái)減小35MPa。由此可得出結(jié)論:兩種加強(qiáng)措施對(duì)解決應(yīng)力集中均有效,而且加大圓弧尺寸效果更明顯,值得推廣。

2 橫向強(qiáng)度計(jì)算

有時(shí)船體的總強(qiáng)度雖能保證,但橫向強(qiáng)度不一定能保證,其影響程度一般雖不屬全船性的,但它往往影響船舶的正常作業(yè),在某些情況下也會(huì)擴(kuò)及全船(整個(gè)平臺(tái))。為了保證散貨船船體結(jié)構(gòu)在正常使用過(guò)程和一定的使用年限具有不破壞或不發(fā)生過(guò)大變形的能力,有必要進(jìn)行船體橫向強(qiáng)度計(jì)算][4]。

2.1 有限元模型

模型范圍為半寬模型,艙段模型的縱向范圍從肋位Fr39到肋位Fr114;垂向范圍為船體型深。模型的兩端(簡(jiǎn)稱A端和B端)和中縱剖面(CL)均需約束,詳細(xì)邊界條件按09規(guī)范要求施加,載荷也包括舷外水壓力、貨物重量、結(jié)構(gòu)自重,和1.3節(jié)載荷相同。

2.2 計(jì)算結(jié)果

參考09規(guī)范,各主要構(gòu)件的最大應(yīng)力匯總見(jiàn)表3?？傻贸鼋Y(jié)論:縱向構(gòu)件的應(yīng)力值有所減少,橫向構(gòu)件的應(yīng)力值有所增加,總體而言該散貨船艙段主要構(gòu)件的橫向強(qiáng)度均能滿足09規(guī)范要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)CCS《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范(2009)》的要求,選擇了滿載到港工況,對(duì)96.8m散貨船進(jìn)行了總縱強(qiáng)度和橫向強(qiáng)度評(píng)估,通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析,得到了如下結(jié)論:(1)該96.8m散貨船的總縱強(qiáng)度和橫向強(qiáng)度,在滿載到港工況下,加以具體載荷,基本能滿足09規(guī)范要求,而且此規(guī)范的許用應(yīng)力值比其他規(guī)范的低,即要求更高。(2)該船局部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,主要是在甲板艙口角隅處,與船中其他區(qū)域相比,此處應(yīng)力明顯較大,且超過(guò)了許用應(yīng)力值。對(duì)艙口角隅處采取加強(qiáng)措施,即加大板厚和尺寸,然后將對(duì)應(yīng)的兩個(gè)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可得到,應(yīng)力均有所減小,但加大尺寸的效果比加大板厚更有效。

參考文獻(xiàn)

[1] 關(guān)昊.干散貨國(guó)際航運(yùn)市場(chǎng)及其波動(dòng)周期研究.復(fù)旦大學(xué)碩士學(xué)位論文.2009.

[2] 張偉.某散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析.大連海事大學(xué)碩士學(xué)位論文.2009:1.

[3] CCS散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析指南(2003).北京:人民交通出版社,2003.

[4] 謝永和,王偉.散貨船橫向強(qiáng)度有限元分析.船舶工程:2007,6(29).