基于2012《鋼規(guī)》的54 000 DWT散貨船強(qiáng)度計(jì)算

付宇靚，江國(guó)和

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

基于2012《鋼規(guī)》的54 000 DWT散貨船強(qiáng)度計(jì)算

付宇靚，江國(guó)和

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

由于中國(guó)船級(jí)社(CCS)提出了《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》2012版(下文簡(jiǎn)稱2012鋼規(guī))，對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的規(guī)定進(jìn)行了系統(tǒng)化更新，為船舶日后的安全設(shè)計(jì)帶來(lái)更大的改善和進(jìn)步。根據(jù)2012鋼規(guī)要求，通過(guò)MSC.Patran/Nastran軟件對(duì)船長(zhǎng)195 m的54 000 DWT散貨船進(jìn)行建模及強(qiáng)度計(jì)算，討論和分析不同工況下此船的強(qiáng)度?；谌S有限元分析進(jìn)行主要支撐構(gòu)件的直接強(qiáng)度評(píng)估，得到船中區(qū)域艙段變形和應(yīng)力情況。通過(guò)分析得出，在裝卸貨物時(shí)，對(duì)船體的影響尤其嚴(yán)重，故應(yīng)優(yōu)化船舶貨物的裝卸方法。

散貨船；強(qiáng)度；裝載；有限元分析；規(guī)范

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各國(guó)之間的資源和貿(mào)易往來(lái)更加繁忙，從而帶動(dòng)了散貨船的發(fā)展。散貨船作為貨物的運(yùn)輸載體具有裝載量大、運(yùn)輸成本低、易于裝卸等優(yōu)點(diǎn)[1]。各大船級(jí)社對(duì)于大型、新型的船舶普遍提出利用有限元計(jì)算船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

中國(guó)船級(jí)社在2012年出版了《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[2]，更新了很多有限元計(jì)算內(nèi)容。本文以1艘54 000 DWT國(guó)內(nèi)航行散貨船為研究對(duì)象，以有限元軟件MSC.Patran/Nastran[3-4]以及有限元方法為基礎(chǔ)，按照2012《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》對(duì)船體強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算。如何才能把營(yíng)運(yùn)中的風(fēng)險(xiǎn)降至最低，如何才能提高散貨船營(yíng)運(yùn)的安全系數(shù)，保證人、船、貨的安全，延長(zhǎng)船舶的使用壽命，這有賴于散貨船在裝卸高密度貨及重貨過(guò)程中的適當(dāng)處理[5-7]。因此，本文通過(guò)計(jì)算不同工況，討論在裝卸貨物時(shí)的船體強(qiáng)度。

1 建立有限元模型

1.1 船型描述

該54 000 DWT散貨船總長(zhǎng)199.99 m，兩柱間長(zhǎng)195.00 m，型寬33.98 m，型深16.50 m，方形系數(shù)Cd為0.848 5，共有5個(gè)貨艙，每個(gè)艙長(zhǎng)為31.98 m。本船采用CCSA，CCSB級(jí)鋼，貨艙區(qū)為單殼、雙底結(jié)構(gòu)，肋距為820 mm；強(qiáng)框架間距為2 460 mm；雙層底高為1 780 mm。

1.2 貨艙模型的建立

利用MSC.Patran軟件對(duì)艙段進(jìn)行有限元建模，采用笛卡兒坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于艙段船底中線處，x軸指向船首為正，y軸指向左舷為正，z軸向上為正。計(jì)算時(shí)只考慮沿船長(zhǎng)方向取船中1/2+1+1/2個(gè)貨艙長(zhǎng)度，高度范圍取整個(gè)型深。模型如圖1所示。對(duì)于不同的型材，分別采用板單元、梁?jiǎn)卧蜅U單元3種類(lèi)型。材料參數(shù)包括：彈性模量E=2.1×1011N/m2；泊松比v=0.3；材料密度ρ=7 800 kg/m3。

圖1 54 000 DWT散貨船艙段有限元模型Fig.1 Finite element model of 54 000 DWT bulk cabin

2 邊界條件

在分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的過(guò)程中，為了能夠更加接近實(shí)際情況，不產(chǎn)生位移，并準(zhǔn)確地描述有限元模型的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，需要在模型上施加響應(yīng)的邊界條件。2012鋼規(guī)艙段直接計(jì)算中采用應(yīng)力疊加法，將局部載荷與總體載荷引起的應(yīng)力分開(kāi)計(jì)算，然后再進(jìn)行疊加。

縱中剖面內(nèi)節(jié)點(diǎn)的橫向線位移、繞縱中剖面內(nèi)2個(gè)坐標(biāo)軸的角位移約束，即：

δy=θx=θz=0。

有限元模型邊界條件如圖2所示。

圖2 54 000 DWT散貨船艙段局部載荷工況邊界條件Fig.2 Partial load conditions boundary conditions of 54 000 DWT bulk cabin

3 計(jì)算載荷和工況

3.1 舷外海水靜壓力的計(jì)算

當(dāng)載荷計(jì)算點(diǎn)位于水線面以上時(shí)，

Phs=ρwg(d1-z) kN/m2；

當(dāng)載荷計(jì)算點(diǎn)位于水線面以下時(shí)；

Phs=0 kN/m2。

式中：ρw為海水密度，取1.025×103kg/m3；d1為計(jì)算工況下的吃水，m。

3.2 貨艙內(nèi)干散貨壓力

pCS=ρc(g+0.5av)kbhckN/m2；

式中：ρc為貨物密度，103kg/m3；kb為系數(shù)，kb=sin2αtan2(450-0.5δ)+cos2α，其中，α為板與水平面的夾角；hc為計(jì)算點(diǎn)至干散貨上表面的垂向距離，m；av為貨物形心處的垂向加速度。

本文按照2012《鋼規(guī)》要求和散貨船裝載手冊(cè)，計(jì)算滿載工況、壓載情況和港口卸載工況。具體計(jì)算結(jié)果如表1～表3所示。

表1 各個(gè)工況下的構(gòu)件應(yīng)力(MPa)

表2 各個(gè)工況下的構(gòu)件剪切應(yīng)力(MPa)

表3 各個(gè)工況下的構(gòu)件變形(mm)

4 結(jié)果及分析

本文所計(jì)算的7種工況中，LC1～LC3為滿載工況，LC4為壓載工況，LC16～LC18為港口卸載工況。

表1和表2中數(shù)據(jù)顯示，7種工況下的各構(gòu)件應(yīng)力均在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求。首先對(duì)LC1～LC4進(jìn)行分析，該4個(gè)工況下，艙段應(yīng)力集中易出現(xiàn)在貨艙口角隅、肋板以及底縱桁和橫艙壁附近的結(jié)構(gòu)處。

將局部載荷工況與總體載荷工況產(chǎn)生的應(yīng)力線性疊加后進(jìn)行強(qiáng)度校核。構(gòu)件的應(yīng)力不超過(guò)相關(guān)的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)(見(jiàn)表4)。

LC16～LC18和LC2均為輕密度貨物(貨物密度0.757 7×103kg/m3和0.810 5×103kg/m3)。結(jié)合貨物分布情況可以看出，LC2的載貨總量要大于LC16～LC18，但比對(duì)表1可見(jiàn)，LC16～LC18下的應(yīng)力要大于LC1～LC4的。分析表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力變化較大的地方出現(xiàn)在底縱桁、底邊艙斜板、舷側(cè)以及強(qiáng)框架處。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因之一是貨物的不均勻分布以及吃水的變化使得壓強(qiáng)差變大，如圖3～圖8所示，可以看出，LC16與LC17的i+1，i-1艙在空艙及半艙裝載的情況下，i+1，i-1所受應(yīng)力及變形要小于i艙的；比較LC16，LC17和LC18可以發(fā)現(xiàn)，在這3種工況下，i艙的應(yīng)力大小及分布基本相同，而LC16的i+1，i-1所受應(yīng)力要大于LC17，這是因?yàn)長(zhǎng)C17的i+1，i-1為半艙裝載，貨物壓載與舷外水壓產(chǎn)生了一定的應(yīng)力抵消。

表4 最大許用應(yīng)力

在LC16～LC18工況下，應(yīng)力及變形變化最大的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在底縱桁和強(qiáng)框架，這是由于貨物的分布不均導(dǎo)致雙層底的彎矩變大從而使得雙層的應(yīng)力及變形增大，如圖9～圖14為底縱桁應(yīng)力及變形分布云圖。大型散貨船的奇數(shù)艙裝高密度貨物而偶數(shù)艙為空艙是較為常用的隔艙方式，這樣的裝載目的是提高船舶的重心，降低GM值，以減少船舶的搖擺[5]。

圖3 LC16艙段應(yīng)力分布云圖Fig.3 Mises stress nephogram of LC16 cabin

圖4 LC17艙段應(yīng)力分布云圖Fig.4 Mises stress nephogram of LC17 cabin

圖5 LC18艙段應(yīng)力分布云圖Fig.5 Mises stress nephogram of LC18 cabin

圖6 LC16艙段變形分布云圖Fig.6 Deformation nephogram of LC16 cabin

圖7 LC17艙段變形分布云圖Fig.7 Deformation nephogram of LC17 cabin

圖8 LC18艙段變形分布云圖Fig.8 Deformation nephogram of LC18 cabin

圖9 LC16底縱桁應(yīng)力分布云圖Fig.9 Mises stressnephogram of LC16 bottom gider

圖10 LC17底縱桁應(yīng)力分布云圖Fig.10 Mises stress nephogram of LC17 bottom gider

圖11 LC18底縱桁應(yīng)力分布云圖Fig.11 Mises stress nephogram of LC18 bottom gider

圖12 LC16底縱桁變形分布云圖Fig.12 Deformationnephogram of LC16 bottom gider

圖13 LC17底縱桁變形分布云圖Fig.13 Deformationnephogram of LC17 bottom gider

圖14 LC18底縱桁變形分布云圖Fig.14 Deformationnephogram of LC18 bottom gider

5 結(jié) 語(yǔ)

由上述分析可看出，在裝卸載貨物的時(shí)候，由于壓強(qiáng)差以及由于貨物質(zhì)量分布不均而產(chǎn)生的彎矩影響，使得對(duì)船體產(chǎn)生一定的破壞性。在本文的討論中，LC16～LC18的吃水處于水平狀態(tài)，而在現(xiàn)實(shí)的裝載過(guò)程中，船舶吃水會(huì)隨著貨物重量的變化而變化，壓強(qiáng)的變化也更為復(fù)雜，對(duì)船體的影響也就更為嚴(yán)重。同時(shí)，在不同吃水狀況下，裝卸方法不同也對(duì)船舶的使用壽命和碼頭的效率有很大的影響。由此可見(jiàn)，適當(dāng)?shù)难b卸貨方法將提高船舶的壽命。

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The structural strength assessment of 54 000 DWT bulk carrier based on 2012 rules

FU Yu-liang，JIANG Guo-he

(Merchant Marine College,Shanghai University,Shanghai 201306,China)

Because of the rules for classification of sea-going steel ships 2012 released by China Classification Society(CCS),hereinafter referred as 2012 rules.The requirement for structural strength assessment has been remarkable improved to ensure the reasonable safety level for the design of hull structures.According to 2012 rules, take a 54 000 DWT bulk as an example,take advantage of MSC.Patran/Nastran on modeling and strength calculation,analysis and discuss this ship′s strength under different working condition.Get the ship class period of deformation and stress situation in the area based on three-dimensional finite element analysis for main support component of direct strength. When loading and unloading of cargo，the impact on the hull is particular serious according to the analysis.So the method of loading and unloading should be optimized.

bulk carrier；strength；loading；FEA;rules

2013-09-29;

2013-12-26

上海高?！按芭c海洋工程”一流學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目

付宇靚(1989-)，女，碩士研究生，從事船舶動(dòng)力裝置研究。

U663.3

A

1672-7649(2014)12-0034-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.007