74500DWT化學(xué)品船艙段有限元強(qiáng)度直接計(jì)算

孫 良 黃勝炎

（江蘇新時(shí)代造船有限公司，靖江214500）

0 前言

化學(xué)品船承擔(dān)著運(yùn)輸化學(xué)品的任務(wù)，化學(xué)品對(duì)環(huán)境有嚴(yán)重的破壞性，就需要船體結(jié)構(gòu)有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以保證運(yùn)輸過(guò)程中的安全性。本文主要介紹江蘇新世紀(jì)造船有限公司承接74 500 DWT三類化學(xué)品船的主要船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。

1 主尺度

2 結(jié)構(gòu)型式

74 500 DWT級(jí)化學(xué)品船船體采用普通鋼或AH32高強(qiáng)度鋼。貨艙區(qū)域?yàn)殡p殼雙底結(jié)構(gòu)，肋骨間距為3 400 mm，甲板強(qiáng)橫梁，縱桁和甲板縱骨上翻，縱艙壁和橫艙壁均為槽型艙壁，設(shè)有頂?shù)屎偷椎?。頂?shù)实酌姘逶?9 010 mm高度位置，底凳面板在4 950 mm高度位置；縱向結(jié)構(gòu)設(shè)置：2根距船中1 600 mm旁縱桁，2根距船中5 600 mm旁縱桁，2根距船中12 000 mm旁縱桁；垂向結(jié)構(gòu)設(shè)置：2道距基線4 950 mm水平桁，2道距基線9 360 mm水平桁，2道距基線 15 360 mm水平桁，2道距基線19 010 mm水平桁。典型強(qiáng)框架橫剖面見(jiàn)圖1。

3 結(jié)構(gòu)有限元模型

3.1 模型范圍

模型范圍按CSR-OT規(guī)范要求，縱向范圍覆蓋3個(gè)貨艙長(zhǎng)度和4個(gè)橫艙壁。模型端部的橫艙壁連同頂?shù)屎偷椎式Y(jié)構(gòu)及相關(guān)同一肋位強(qiáng)框架都包括在模型中，形成垂直平面。橫向范圍為船體型寬，垂向范圍為船體型深。

船體的開(kāi)孔采用CSR-OT規(guī)范附錄B進(jìn)行篩選折減厚度。最后完成的三艙段模型共包括51 501個(gè)節(jié)點(diǎn)，100 452個(gè)單元（彈簧單元和獨(dú)立點(diǎn)約束由軟件計(jì)算時(shí)自動(dòng)生成）。彈性模量為2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.85 t/m3，有限元模型見(jiàn)圖2。

圖1 典型強(qiáng)框架橫剖面

圖2 三艙段有限元模型示意圖

3.2 坐標(biāo)系

坐標(biāo)系采用右手坐標(biāo)系，原點(diǎn)為FR0處基線和中心線的交點(diǎn)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。

3.3 邊界條件

根據(jù)CSR-OT規(guī)范要求，模型兩端為彈簧約束，施加邊界條件參考CSR-OT規(guī)范附錄B2.6［1］。

4 載荷工況、許用應(yīng)力和驗(yàn)收結(jié)果

4.1 載荷工況

依據(jù)CSR-OT規(guī)范附錄B要求工況計(jì)算，選取工況參考CSR-OT規(guī)范附錄B2.3裝載工況。

4.2 許用應(yīng)力

該船結(jié)構(gòu)采用普通鋼和高強(qiáng)鋼（AH32），根據(jù)CSR-OT規(guī)范第9節(jié)2.2.5驗(yàn)收衡準(zhǔn)?？疾鞈?yīng)力為有限元分析中的平面單元中心的Von-Mises相當(dāng)應(yīng)力。構(gòu)件的許用應(yīng)力不得超過(guò)如表1所示。屈曲利用因子數(shù)值見(jiàn)表2。細(xì)網(wǎng)格分析的最大許用應(yīng)力數(shù)值見(jiàn)表3。

表1 驗(yàn)收相當(dāng)應(yīng)力

表2 驗(yàn)收屈曲利用因子

表3 驗(yàn)收細(xì)網(wǎng)格最大許用應(yīng)力

4.3 驗(yàn)收結(jié)果匯總

驗(yàn)收相當(dāng)應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表4。驗(yàn)收屈曲利用因子結(jié)果見(jiàn)表5。驗(yàn)收細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表6。

圖3 船底板屈曲修改加筋位置

表6 細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力結(jié)果匯總

5 結(jié)語(yǔ)

本文敘述了74 500 DWT化學(xué)品船規(guī)范進(jìn)行有限元計(jì)算的主要過(guò)程和結(jié)果。針對(duì)該船具有特殊的結(jié)構(gòu)形式和裝載特點(diǎn)，利用有限元進(jìn)行直接計(jì)算分析能最終確定設(shè)計(jì)方案，計(jì)算結(jié)果顯示船體貨艙區(qū)主要結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求，計(jì)算結(jié)果分析如下：

1）化學(xué)品船區(qū)別于常規(guī)油船，部分裝載化學(xué)品船貨物密度比原油或成品油大很多，計(jì)算時(shí)候需要特別注意按CI-T2［2］規(guī)范和實(shí)際船舶裝載時(shí)的貨物密度得出計(jì)算密度。

2）化學(xué)品船對(duì)洗艙殘留有較高要求，按MARPOL要求為不大于75L。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的時(shí)候要盡量保證貨艙內(nèi)部的光滑，不能留下洗艙死角［3］。

3）化學(xué)品主甲板強(qiáng)橫梁、縱桁和縱骨上翻，導(dǎo)致外板和內(nèi)殼上端處支撐減弱，需要增加板厚到13 mm普通鋼，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5，相關(guān)修改見(jiàn)圖6。

圖4 航行工況強(qiáng)橫梁細(xì)網(wǎng)格結(jié)果

圖5 港口工況強(qiáng)橫梁細(xì)網(wǎng)格結(jié)果

4）橫艙壁和縱艙壁需要做成槽型。槽型艙壁會(huì)在槽的端部形成應(yīng)力集中，需要引起重視，增加槽型艙壁端部的板厚到25.5 mm（AH32），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8，相關(guān)修改見(jiàn)圖9。

圖7 航行工況艙壁相交處細(xì)網(wǎng)格結(jié)果

圖8 港口工況艙壁相交處細(xì)網(wǎng)格結(jié)果

圖9 橫艙壁與縱艙壁相交處修改

5）由于主甲板強(qiáng)橫梁上翻，考慮到主甲板上的甲板機(jī)械、管系、甲板儲(chǔ)藏室、取樣間、通道布置，所以計(jì)算強(qiáng)橫梁強(qiáng)度時(shí)腹板高度不能取值太大，只能增加腹板厚度和面板大小，腹板高度要與交叉專業(yè)協(xié)調(diào)后確定。

6） 為保證槽型艙壁頂?shù)试谥骷装逄幱凶銐蛑螐?qiáng)度，本船設(shè)置了共4道短縱桁。短縱桁于強(qiáng)橫梁連接處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中問(wèn)題，需要在短縱桁端部增加板厚至14 mm（AH32），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10和圖11，相關(guān)修改見(jiàn)圖12。

圖10 航行工況甲板短縱桁處細(xì)網(wǎng)格結(jié)果

圖11 港口工況甲板短縱桁處細(xì)網(wǎng)格結(jié)果

圖12 主甲板短縱桁修改

［1］Common Structural Rules for Double Hull Oil tankers［S］.2010.

［2］Common Interpretation Approval of high density cargo limitation on max filling height［S］.2008.

［3］The International Convention for the Prevention of Pollution From Ships［S］.1973 as modified by the Protocol of 1978.