半、全寬艙段模型的船舶橫向強(qiáng)度比對(duì)

陳舟林 王 偉 方海濱

（1.浙江海洋學(xué)院 東海科學(xué)技術(shù)學(xué)院 舟山316004；2.浙江海洋學(xué)院 船舶與建筑工程學(xué)院 舟山316004；3.浙江歐華造船有限公司 舟山316101）

0 引 言

我國(guó)造船事業(yè)蓬勃發(fā)展，目前已成為世界造船大國(guó)。散貨船一直是我國(guó)主流建造船型，為確保散貨船的安全運(yùn)輸，船級(jí)社都加強(qiáng)了對(duì)散貨船強(qiáng)度的校核與檢驗(yàn)，有限元直接計(jì)算法在各船級(jí)社已廣泛采用。本文按照中國(guó)船級(jí)社的相關(guān)規(guī)定與要求，對(duì)半、全艙段模型進(jìn)行有限元橫向強(qiáng)度計(jì)算與對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果為散貨船的強(qiáng)度分析提供了參考。

1 有限元模型的建立

1.1 船型及結(jié)構(gòu)概況

該54 000 dwt散貨船垂線間長(zhǎng)195.00 m、型寬33.98 m、型深16.50 m，有5個(gè)貨艙，艙長(zhǎng) 31.98 m。貨艙區(qū)域?yàn)閱螝?、雙底結(jié)構(gòu)，采用CCS A、CCS AH36鋼，肋骨間距820 mm，雙層底高1 780 mm，強(qiáng)框架間距2 460 mm，設(shè)有8道底縱桁。

1.2 結(jié)構(gòu)有限元模型

利用MSC.Patran軟件對(duì)本船的艙段結(jié)構(gòu)建立有限元，模型見(jiàn)圖1、圖2。船長(zhǎng)方向只考慮船中貨艙區(qū)的1/2個(gè)貨艙+1/2個(gè)貨艙，垂向范圍為船體型深。模型中各船體構(gòu)件采用殼單元或梁?jiǎn)卧M。模型坐標(biāo)系采用笛卡爾坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于艙段端面船底中線處，其X軸沿船體縱向指向船艏，Y軸沿船寬方向指向左舷，Z軸沿型深向上。［1-2］

圖1 1/2個(gè)貨艙+1/2個(gè)貨艙半寬模型有限元（模型1）

圖2 1/2個(gè)貨艙+1/2個(gè)貨艙全寬模型有限元（模型2）

2 邊界條件

參照文獻(xiàn)［3-6］的相關(guān)規(guī)定，確定有限元模型的邊界條件。模型1的兩端（簡(jiǎn)稱A端和B端）和中縱剖面（CL）均需約束，詳見(jiàn)表1；模型2的兩端（簡(jiǎn)稱A端和B端）約束與模型1相同，為使結(jié)果具有可比性，中線面上任意一點(diǎn)橫向位移約束，詳見(jiàn)表2。

表1 有限元模型1邊界條件

表2 有限元模型2邊界條件

3 載荷工況

3.1 計(jì)算載荷

橫向強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)所承受載荷視計(jì)算工況而定，包括艙內(nèi)貨物壓力、壓載水壓力、舷外水壓力和甲板上浪壓力等，不考慮總縱彎矩及端面剪力。［3-4］

3.1.1 艙內(nèi)貨物產(chǎn)生的壓力計(jì)算

式中：ρc為貨物的密度，t/m3；

Cb為方形系數(shù)；

90 m≤L＜300 m；

hd為計(jì)算點(diǎn)到貨物頂點(diǎn)的垂直距離，m；

kb=sin2α·tan2（45°-0.5δ）＋cos2α，

α為板與水平面之間的夾角，

δ為貨物休止角（谷物為30°）。

3.1.2 舷外水壓力（滿載工況）

舷外水壓力由靜水壓力和波浪水動(dòng)壓力兩部分組成。

在基線處：Pb=10d＋1.5CwkN/m2

在水線處：Pw=3CwkN/m2

在舷側(cè)頂端處：Ps=3P0kN/m2

甲板上的水動(dòng)壓力：Pd=2.4P0kN/m2（2）

式中：P0為系數(shù)，P0=Cw-0.67（D-d）；Cw為波浪系數(shù)，

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)船舶裝載計(jì)算書(shū)，取重一般壓載、重貨均勻滿載和輕貨均勻滿載三種工況進(jìn)行計(jì)算。具體計(jì)算工況如表3所示。

表3 貨艙結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算工況

4 計(jì)算及分析

4.1 相關(guān)參數(shù)選取

對(duì)于一般壓載工況，壓載水的位置、重量等根據(jù)船舶裝載計(jì)算書(shū)中選定；輕貨滿載工況由貨物密度、載貨量、艙容確定；重貨滿載工況由載貨量、貨艙截面尺寸、貨物密度（3 t/m3）及貨物休止角來(lái)確定貨物對(duì)船體結(jié)構(gòu)的載荷。

4.2 計(jì)算結(jié)果

具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 4、表5，以及圖 3～圖6（圖中全模隱去一半顯示）。

表4 模型各主要構(gòu)件在各工況下的最大合應(yīng)力MPa單位：

表5 模型變形結(jié)果 單位：mm

圖3 半模應(yīng)力分布云圖

圖4 全模應(yīng)力分布云圖

圖5 半模變形云圖

4.3 討論與分析

計(jì)算結(jié)果從應(yīng)力和形變兩方面分析如下：

圖6 全模變形云圖

（1）相同載荷作用下，半模與全模的最大應(yīng)力均為147.0 MPa（出現(xiàn)在強(qiáng)框架處），低于CCS許用應(yīng)力（橫艙壁許用應(yīng)力為145 MPa，其余構(gòu)件許用應(yīng)力均為175 MPa），滿足強(qiáng)度要求；各構(gòu)件應(yīng)力情況、模型應(yīng)力與分布基本一致；應(yīng)力集中的部位主要在強(qiáng)框架開(kāi)口處（三角形單元）、底縱桁端部（邊界影響），剔除后應(yīng)力水平較小。

（2）模型最大變形在9 mm以內(nèi)，變形量較小，且兩模型的變形及分布規(guī)律基本相同；縱向構(gòu)件變形最大的在艙壁與邊界中部，縱、橫方向的強(qiáng)構(gòu)件在縱向變形上起到較大的控制作用；橫向結(jié)構(gòu)最大在船中。

（3）中線面上的結(jié)構(gòu)在半模中減半建模，計(jì)算結(jié)果中線面處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形大小與分布基本一致。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)54 000 dwt散貨船半模、全模進(jìn)行橫向強(qiáng)度對(duì)比分析，可以得出在相同橫向載荷的情況下，整體與各個(gè)構(gòu)件所受應(yīng)力及變形基本一致，所以在船體對(duì)稱的情況下可以建半模來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析，橫向載荷作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形較小，規(guī)范的衡準(zhǔn)值偏大。

［1］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，1990.

［2］劉冰山，黃沖.Patran從入門(mén)到精通［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.

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

［4］中國(guó)船級(jí)社.雙舷側(cè)散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［5］中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范［R］.2006.

［6］陳亞杰.鋼質(zhì)船舶建造規(guī)范與質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)海洋出版社，2006.