基于CSR的散貨船最首尾貨艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

嚴(yán)衛(wèi)祥，夏利娟，王從晶

(1.上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.中國船級社審圖中心，上海 200240 )

基于CSR的散貨船最首尾貨艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

嚴(yán)衛(wèi)祥1，夏利娟1，王從晶2

(1.上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.中國船級社審圖中心，上海 200240 )

參考散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范要求，研究最首貨艙和最尾貨艙有限元直接計算的若干要點，包括模型范圍和要求、計算載荷和工況的選擇和模型處理方法等。探討共同規(guī)范屈服和屈曲強(qiáng)度評估準(zhǔn)則，利用MSC Patran/Nastran和英國勞氏船級社(LR)的Shipright軟件對某散貨船的最首和最尾貨艙艙段結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計算和評估，并提出加強(qiáng)方案，使其滿足散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范直接強(qiáng)度分析的要求。

散貨船；共同規(guī)范；首貨艙和尾貨艙；屈服；屈曲

0 引 言

2006年4月1日，IACS CSR規(guī)范正式生效，其中的散貨船規(guī)范適用于2006年4月1日以后簽訂建造合同的、船長大于90m及以上、在全球不受限制航行的單舷側(cè)和雙舷側(cè)散貨船。但隨著對CSR規(guī)范研究的逐步深入，其存在的缺陷也逐步顯現(xiàn)。船體梁載荷計算方法的不統(tǒng)一，評估結(jié)果如何外推，詳細(xì)應(yīng)力評估時細(xì)化區(qū)域的選擇，細(xì)化網(wǎng)格的大小和應(yīng)力評估標(biāo)準(zhǔn)都存在一定的不足[1]。CSR規(guī)范要求對貨艙中部區(qū)域的船體梁縱向構(gòu)件、主要支撐構(gòu)件和橫艙壁進(jìn)行強(qiáng)度評估，但沒有給出對散貨船首尾貨艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的具體評估要求。即將生效的HCSR規(guī)范要求直接計算范圍覆蓋整船所有貨艙，并考慮了迎浪、隨浪、橫浪、斜浪等效設(shè)計波液艙晃蕩、艙口蓋外部壓力等載荷，對首尾貨艙的強(qiáng)度評估提出明確的要求，且從結(jié)構(gòu)安全性考慮，對首尾貨艙進(jìn)行強(qiáng)度校核是必要的。

本文針對某散貨船最首尾貨艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的屈服和屈曲分析研究，包括模型范圍的選取、載荷工況的選定、模型處理方法和修改方案的最終確定等。采用MSC/Patran有限元軟件建立首尾貨艙艙段的有限元模型，提交MSC/Nastran計算局部載荷，最后采用LR/ShipRight規(guī)范軟件整合載荷工況并完成首貨艙、尾貨艙的屈服和屈曲強(qiáng)度評估。

1 散貨船最首尾貨艙有限元強(qiáng)度分析

1.1 模型范圍和要求

根據(jù)散貨船共同規(guī)范的要求，在對船中區(qū)域貨艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接強(qiáng)度分析時，有限元模型應(yīng)覆蓋3個貨艙和4個橫艙壁，中間艙為評估目標(biāo)[2]。由于最首尾貨艙所處船體位置的特殊性，在分析最首貨艙時，建立有限元模型包括第2貨艙、最首貨艙，以及從最首貨艙的防撞艙壁向前延伸一定范圍的結(jié)構(gòu)(本文分析中向前延伸3個強(qiáng)框架)；在分析最尾貨艙時，建立的有限元模型包括機(jī)艙、最尾貨艙以及最尾貨艙前貨艙。根據(jù)以上模型建立范圍，可有效地減小邊界效應(yīng)對被評估最首貨艙和最尾貨艙的不利影響。

所有主要構(gòu)件均需在有限元模型中建模，其中包括內(nèi)外殼，雙層底結(jié)構(gòu)和桁材系統(tǒng)、橫框架、水平和垂直桁材以及橫艙壁等。最尾貨艙評估模型中包括了機(jī)艙部分，由于機(jī)艙結(jié)構(gòu)既復(fù)雜又不屬于評估區(qū)，因此可進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，只建立其中的縱向構(gòu)件和主要支撐構(gòu)件。

由于首尾部的船體線型變化較大，因此在建立有限元模型時，可適當(dāng)采用三角形單元。

1.2 裝載工況

最首尾貨艙段強(qiáng)度評估的載荷工況可參照共同規(guī)范中對船中艙段強(qiáng)度分析的要求。垂向靜水剪力和彎矩、波浪引起的垂向剪力和彎矩以及波浪引起的水平彎矩視為船體梁載荷；外部靜水壓力及貨物和壓載水引起的內(nèi)部靜壓力視為靜水中的側(cè)向載荷，外部水動壓力以及貨物和壓載水引起的內(nèi)部慣性壓力視為波浪中的側(cè)向載荷；波浪中側(cè)向載荷和船體梁載荷引起的應(yīng)力應(yīng)使用對每一等效設(shè)計波確定的載荷組合因子組合起來。

對最首尾貨艙進(jìn)行強(qiáng)度分析時，最首貨艙前和最尾貨艙后沒有貨艙，裝載模式與分析散貨船中間艙段時有所區(qū)別。最首貨艙分析時，只有最首貨艙和第2貨艙可以加載，形成對應(yīng)的裝載工況；最尾貨艙分析時，只有最尾貨艙和其前一貨艙可以加載，形成對應(yīng)的裝載工況。

1.3 彎矩和剪力調(diào)整

散貨船共同規(guī)范規(guī)定：對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估時，艙段模型的中貨艙中點處附近的彎矩應(yīng)達(dá)到設(shè)計許用彎矩，中貨艙前后艙壁處應(yīng)達(dá)到設(shè)計許用剪力。由于最首貨艙和最尾貨艙有限元模型只包括2個完整的貨艙，因此，在對最首貨艙進(jìn)行彎矩剪力調(diào)整時，可以取最首貨艙范圍距第2貨艙的前艙壁1/3艙長處的設(shè)計許用彎矩作為目標(biāo)彎矩，如圖1所示；在對最尾貨艙進(jìn)行彎矩調(diào)整時，可以取最尾貨艙范圍距最尾貨艙前艙壁1/3艙長處的設(shè)計許用彎矩作為目標(biāo)彎矩，如圖2所示。進(jìn)行剪力調(diào)整時，可以選取最首貨艙和最尾貨艙的橫艙壁處的設(shè)計許用剪力作為目標(biāo)值。以此確定的目標(biāo)值，調(diào)整有限元模型的船體梁水平彎矩、垂向剪力和垂向彎矩的分布。

圖1 最首貨艙彎矩調(diào)整目標(biāo)位置圖示Fig.1 Target location of moment modification at the very fore cargo tank

圖2 最尾貨艙彎矩調(diào)整目標(biāo)位置圖示Fig.2 Target location of moment modification at the very aft cargo tank

2 散貨船共同規(guī)范屈服和屈曲強(qiáng)度評估準(zhǔn)則

2.1 屈服評估準(zhǔn)則

屈服強(qiáng)度評估依據(jù)米塞斯屈服準(zhǔn)則，參考應(yīng)力為有限元分析中得到的平面單元中心的Von Mises相當(dāng)應(yīng)力，或線單元的軸向應(yīng)力[2],遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論。

材料的應(yīng)變能為

u=uv+ud。

式中：uv為體積改變應(yīng)變能；ud為形狀改變應(yīng)變能[3]。

(1)

在單向拉伸試驗中，構(gòu)件屈服時σ1=σs，σ2=σ3=0，形狀改變應(yīng)變能密度為

(2)

(3)

其中σ1，σ2，σ3為主平面的3個主應(yīng)力。

又將

(4)

式中：σx，σy為單元正應(yīng)力，N/mm2；τxy為單元剪應(yīng)力，N/mm2。

代入式(3)可得VonMise相當(dāng)應(yīng)力公式：

2.2 屈曲評估準(zhǔn)則

船體結(jié)構(gòu)屈曲的校核主要是研究船體非加筋板格的屈曲強(qiáng)度問題，板失穩(wěn)后不是立即破壞，還能繼續(xù)承受直到破壞的最大壓縮荷重為板的極限荷重。

2.2.1 矩形板屈曲的能量解法

研究船體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，即要求出結(jié)構(gòu)的臨界壓力或臨界荷重，主要方法為基于中性平衡微分方程式的能量法，即板的平衡狀態(tài)用虛位移原理描述，進(jìn)而導(dǎo)出板穩(wěn)定性問題的李茲法。

板的彎曲應(yīng)變能V和作用在板中面的力函數(shù)U為[4]

(5)

(6)

式中Tx,Tx,Txy為板中面微單元上壓力和剪力。

2.2.2 共同規(guī)范屈曲評估

共同規(guī)范對基本板格的屈曲校核引入折減系數(shù)，表征板的后屈曲性能對板格承載能力的有利影響，采用極限強(qiáng)度來衡量板格的實際承載能力。

板的有效寬度表示板在屈曲后應(yīng)力分布的不均勻性，即板所能支承的臨界應(yīng)力已被超過后，則板只有一部分寬度在承受荷重而是有效的[5]。板截面的折減因子κ=be/b，be為板的有效厚度。

(7)

(8)

3 實船強(qiáng)度計算和評估分析

3.1 有限元模型

模型網(wǎng)格尺寸采用縱骨間距或舷側(cè)肋骨間距。模型中所有板采用三節(jié)點或四節(jié)點板殼單元模擬。所有加強(qiáng)筋和高腹板的面板均采用梁單元模擬。建模時構(gòu)件尺寸采用建造厚度，在LR/ShipRight中可以進(jìn)行腐蝕余量的扣除。

最首貨艙分析模型范圍從Fr131-Fr213和最尾貨艙分析模型范圍從Fr14-Fr107，有限元模型分別如圖3和4所示。

圖3 最首貨艙分析模型Fig.3 Finite element model of the very fore cargo tank

圖4 最尾貨艙分析模型Fig.4 Finite element model of the very aft cargo tank

3.2 計算載荷與工況

在垂向彎矩分析中，最首貨艙和最尾貨艙船體梁載荷目標(biāo)值分別取Fr184.67和Fr53處可能產(chǎn)生的最大垂向彎矩值；在垂向剪力分析中，最首貨艙和最尾貨艙船體梁載荷目標(biāo)值分別取Fr173/Fr208和Fr29/Fr65可能產(chǎn)生的最大垂向剪力。

裝載工況由裝載模式和載荷工況組成，分別選取均勻滿載、隔艙滿載、部分裝載、重壓載、多港裝載等裝載狀態(tài)共7個計算工況對最首尾貨艙分別進(jìn)行屈服和屈曲強(qiáng)度計算，裝載工況如表1和表2所示[6]。

表1 最首貨艙分析的裝載模型示意圖Tab.1 Loading pattern for analysis of the very fore cargo tank

表2 最尾貨艙分析的裝載模型示意圖Tab.2 Loading pattern for analysis of the very aft cargo tank

3.3 強(qiáng)度結(jié)果分析

根據(jù)規(guī)范材料的許用應(yīng)力為235/kN/mm2(其中k為材料系數(shù))，且計算應(yīng)力超過規(guī)定許用應(yīng)力的95%的區(qū)域應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。本文研究中，對此散貨船屈服評估時，設(shè)定許用應(yīng)力為規(guī)范許用應(yīng)力的95%。對于AH36高強(qiáng)度鋼，其許用應(yīng)力設(shè)定為[σ]=0.95×235/k=310MPa。

對最首貨艙屈服強(qiáng)度分析評估，其高應(yīng)力區(qū)域主要有最首貨艙前端的艙口間甲板、最首貨艙雙層底間的肋板和縱桁。最首貨艙應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。

對最尾貨艙屈服強(qiáng)度分析評估，其高應(yīng)力區(qū)域主要有：最尾貨艙末端的艙口間甲板、底邊艙的強(qiáng)框架、舷側(cè)縱桁。最尾貨艙應(yīng)力結(jié)果如圖6所示。

圖5 最首貨艙應(yīng)力分析結(jié)果Fig.5 Von-mises stress of the very fore cargo tank

圖6 最尾貨艙應(yīng)力分析結(jié)果Fig.6 Von-mises stress of the very aft cargo tank

對最首尾貨艙進(jìn)行屈曲分析，與船體中間艙段的屈曲分析方法一致，考慮板的后屈曲性能對板格承載能力的有利影響，采用極限強(qiáng)度來衡量板格的實際承載能力。

通過對最首貨艙屈曲強(qiáng)度的分析評估，可以發(fā)現(xiàn)難以滿足屈曲要求的構(gòu)件主要集中在：最首貨艙前端的艙口間甲板、防撞艙壁、雙層底間的肋板、底邊艙斜板、頂邊艙強(qiáng)框架、頂邊艙斜板、舷側(cè)縱桁、舷側(cè)垂直桁材。最首貨艙屈曲結(jié)果如圖7所示。

通過最尾貨艙屈曲強(qiáng)度的分析評估后，發(fā)現(xiàn)難以滿足屈曲要求的構(gòu)件主要集中在：最尾貨艙末端的艙口間甲板、外底板、舷側(cè)外殼、橫艙壁、雙層底間的肋板和縱桁、底邊艙強(qiáng)框架、底邊艙和頂邊艙斜板、舷側(cè)縱桁。最尾貨艙屈曲結(jié)果如圖8所示。

圖7 最首貨艙屈曲分析結(jié)果Fig.7 Buckling result of the very fore cargo tank

圖8 最尾貨艙屈曲分析結(jié)果Fig.8 Buckling result of the very aft cargo tank

3.4 加強(qiáng)方案

屈服和屈曲強(qiáng)度分析后，需要針對不滿足屈服強(qiáng)度要求的區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，通過增加一定的板厚來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度，直到滿足屈服強(qiáng)度后，再重新進(jìn)行屈曲計算，對仍不能滿足屈曲強(qiáng)度的板材，主要通過加筋來提高屈曲性能，避免板厚增加帶來的船體鋼料浪費(fèi)。

以最首貨艙為例說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度加強(qiáng)方案，如表3所示。

表3 最首貨艙結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案Tab.3 Reinforcement of the very fore cargo tank

4 結(jié) 語

本文參考散貨船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范，介紹了最首貨艙、最尾貨艙有限元強(qiáng)度分析要點，對共同規(guī)范的屈服和屈曲強(qiáng)度理論進(jìn)行了闡述。以某散貨船為例，對其最首貨艙和最尾貨艙分別進(jìn)行屈服和屈曲強(qiáng)度分析，并根據(jù)評估結(jié)果給出了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案。本文的計算分析方法和結(jié)論可以為同類型船舶的首尾貨艙艙段直接強(qiáng)度分析提供一定的參考依據(jù)。

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Finite element analysis of fore and aft hold of bulk carrier based on CSR

YAN Wei-xiang,XIA Li-juan,WANG Cong-jing

(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering ,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,China； 2.Drawing Approval Center, China Classification Society Shanghai Branch, Shanghai 200240,China)

This paper introduces the finite element calculation of fore and aft hold structures of some bulk carrier,which meets the requirement of common structure rules for bulk carriers.Some key points including finite element model and load cases of the analysis are presented as well as exploration on the theory about yield and buckling based on CSR.MSC patran/nastran and shipright of lloyd′s register are used for the finite element calculation.

bulk carrier;common structure rules;fore and aft hold;yield;buckling

2013-05-02；

2013-06-27

國家自然科學(xué)基金資助項目(50909060)；海洋工程國家重點實驗室青年創(chuàng)新基金資助項目(GKZD010059-20)

嚴(yán)衛(wèi)祥(1989-)，男，碩士研究生，從事船舶海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計研究工作。

U674.13+4

A

1672-7649(2014)06-0048-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.06.009