基于規(guī)范設(shè)計(jì)的散貨船貨艙結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)度分析

李俊來，張吉萍（.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山　36022；2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢　430063）

基于規(guī)范設(shè)計(jì)的散貨船貨艙結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)度分析

李俊來1，2，張吉萍1
（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022；2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢430063）

中小型船舶在橫浪作用下橫搖會(huì)加劇。為保證船舶結(jié)構(gòu)足夠安全，就必須對現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)的船舶進(jìn)行橫向強(qiáng)度校核。本文采用MSC.NASTRAN軟件，對一散貨船在滿載和壓載兩種工況下的橫向結(jié)構(gòu)做強(qiáng)度應(yīng)力分析比較，計(jì)算結(jié)果表明船體結(jié)構(gòu)能滿足橫向強(qiáng)度許用要求，為今后散貨船規(guī)范設(shè)計(jì)提供借鑒和技術(shù)參考。

散貨船；橫向強(qiáng)度；規(guī)范設(shè)計(jì)；有限元分析

近年來，船舶的發(fā)展理論越來越趨于大型化和智能化，船體強(qiáng)度問題往往只側(cè)重關(guān)注于船體的總縱強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和局部強(qiáng)度，而忽視了橫向強(qiáng)度的影響［1］。船體橫向強(qiáng)度是船體結(jié)構(gòu)抵抗橫向彎曲的能力。當(dāng)船體主尺度比較小，船在海浪中航行時(shí)，受到水的側(cè)壓力、橫浪引起的橫搖等作用就會(huì)加劇，船體橫向強(qiáng)度就會(huì)成為影響船舶安全不可忽視的因素［2］。船體在水中除了受到總縱彎曲力的作用外，其橫向受到水的壓力和波浪的沖擊力作用，隨著水深的增加，水對船體的壓力又逐漸增加，所以，船舶下部的橫向強(qiáng)度要求更高，此外，船舶在靠離碼頭，與其他船舶相近航行時(shí)，有撞擊可能，對舷側(cè)部分的橫向強(qiáng)度也有一定要求［3］。因此，對現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)的船舶進(jìn)行橫向強(qiáng)度分析，保證船體結(jié)構(gòu)具有足夠的抵抗橫向外力的能力就顯得非常重要。

1　有限元數(shù)值計(jì)算

本文以一小型國內(nèi)航行散貨船為研究對象對船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫向強(qiáng)度分析。本船船體采用CCSA級(jí)鋼，貨艙區(qū)域?yàn)閱螝?、單底結(jié)構(gòu)，肋骨間距550 mm，貨艙內(nèi)設(shè)有抗扭箱。主要航行于國內(nèi)沿海航區(qū)，用于運(yùn)輸糧食、谷物、各類礦石等散裝貨物，其主要尺度如下：

總長Loa=52.80 m， 垂線間長Lpp=48.00 m，型寬B=8.80 m，

型深D=4.15 m，設(shè)計(jì)吃水d=3.525 m，方形系數(shù)Cb=0.787 5

1.1有限元模型

利用MSC.NASTRAN&PATRAN有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算，建立有限元模型。模型范圍為半寬模型，包括船中貨艙區(qū)的整個(gè)貨艙，艙段模型的縱向范圍從肋位Fr15到肋位Fr80；垂向范圍為船體型深。坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于Fr44船底中線處，在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。有限元模型如圖1。

圖1　有限元模型示意圖Fig.1　The finite element model

1.2邊界條件

模型的兩端（簡稱A端和B端）和中縱剖面（CL）均需約束，詳細(xì)邊界條件見表1。

表1　邊界條件Tab.1　The boundary conditions

鋼材的材料密度：ρ=7.85 t/m3，彈性模量E=2.1×105，泊松比ν=0.3，重力加速度g=9 800 mm/s2。

1.3計(jì)算工況和載荷

本次計(jì)算考慮了艙內(nèi)貨物壓力和舷外水壓力的影響，計(jì)算工況按照裝載手冊取壓載和滿載兩種狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，具體工況和載荷計(jì)算如下。

（1）艙內(nèi)貨物壓力

艙內(nèi)干貨重量944 t×9 800 mm/s2=9 251 200 N。由于半寬模型，模型加載重量為4 625 600 N。

（2）舷外水壓力

（b）水動(dòng)壓力

④水線面以下任意一點(diǎn)的水動(dòng)壓力Phd：

⑤水面以上舷側(cè)水動(dòng)壓力：Phd=PWL-10（z-d1）kN/m2

表2　各工況下的水動(dòng)壓力數(shù)值Tab.2　The hydrodynamic pressure numerical value of the working cases

⑥露天甲板上的波浪載荷：Pwdk=PWL-10（zdk-d1）kN/m2模型中各工況下的水動(dòng)壓力數(shù)值見表2。

1.4許用應(yīng)力

根據(jù)《船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》［4］和《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》［5］中關(guān)于“船長大于30 m的船舶結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)度計(jì)算要求”，確定各部位船體結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力見表3。

表3　各部位船體結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力值Tab.3　The allowable stress values of the different parts of hull structure

2　有限元計(jì)算結(jié)果

本計(jì)算考慮舷外水壓力的作用，在滿載和壓載兩種工況下對船體主要橫向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了板單元和梁單元的應(yīng)力計(jì)算，具體結(jié)構(gòu)的單元計(jì)算最大正應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力值見表4和表5。部分結(jié)構(gòu)的計(jì)算應(yīng)力結(jié)果云圖如圖2。

表4　船體具體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值比較（N/mm2）Tab.4　The maximum stress value comparison of main hull structure（Units：N/mm2）

表5　船體主要結(jié)構(gòu)最大剪切應(yīng)力值比較（N/mm2）Tab.5　The maximum shear stress value comparison（N/mm2）

3　分析及結(jié)論

通過利用MSC.NASTRAN有限元軟件，分別計(jì)算了當(dāng)散貨船在受到舷側(cè)水壓力、橫浪、貨物壓力以及船體慣性力等橫向外載荷作用下抵抗船體橫向強(qiáng)度的主要板材和骨架構(gòu)件的響應(yīng)情況。分析并校核了船底板、舷側(cè)外板、甲板、強(qiáng)弱框架及肘板等產(chǎn)生的最大相當(dāng)應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力，并與規(guī)范要求作了對比分析，得到了一些比較有實(shí)際參考意義的結(jié)論；

（1）參照表4-表5可知，兩種工況下，各主要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均滿足規(guī)范的許用強(qiáng)度要求；

（2）兩種工況中，滿載時(shí)吃水大，其橫向的計(jì)算應(yīng)力也明顯要大于壓載工況，說明隨著船舶吃水的增加，會(huì)加大對船體結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)度的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮對船舶各裝載工況中船舶吃水變化引起的橫向強(qiáng)度變化，特別是要注意船舶入水部分的橫向強(qiáng)度問題；

（3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制最大計(jì)算應(yīng)力沿橫向各構(gòu)件位置分布圖，如圖3。壓載時(shí)曲線比較平緩，各部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值相差不大；但滿載時(shí)，曲線升降比較劇烈，距離中和軸最遠(yuǎn)的上甲板的板單元、強(qiáng)弱橫框架及肘板、梁單元這三類構(gòu)件的最大計(jì)算相當(dāng)應(yīng)力要比其他橫向結(jié)構(gòu)大得多，所以在進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)時(shí)如果應(yīng)加大這三類構(gòu)件的裕度留取，這樣可以大大提高整個(gè)船體結(jié)構(gòu)抵抗橫向強(qiáng)度的能力。

圖2　船體主要部位結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況（LC1工況）Fig.2　The main hull structure stress distribution（LC1）

圖3　船體主要結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)度應(yīng)力比較Fig.3　Transverse stress comparison of main hull structure

［1］謝永和，王偉.散貨船橫向強(qiáng)度有限元分析［J］.船舶工程，2007，29（6）：33-35.

［2］謝永和，吳劍國，李俊來.船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2011.

［3］祝波，郭欣.內(nèi)河散貨船橫向強(qiáng)度有限元計(jì)算分析［J］.中國水運(yùn)，2013，13（7）：103-105.

［4］中國船級(jí)社.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［5］中國船級(jí)社.國內(nèi)航行海船建造規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2012.

Transverse Strength Analysis of Bulk Cargo Compartment Structure based on the Design Specification Method

LI Jun-lai1，2，ZHANG Ji-ping1
（1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022；2.School of Transportation，WUT，Wuhan430063，China）

Small and medium-sized ships'rolling motion will become more severe under the effect of transverse wave.In order to ensure the safety of ship structure is enough，the existing specification design ship must do checking of transverse strength.Based the finite element method of MSC.NASTRAN，the bulk cargo compartment structure was analysed respectively under two cases（full load case and ballast case）.The results show that the hull structure can satisfy the requirement.It provides important reference for future bulk carrier specification design.

bulk carrier；transverse strength；specification design；the finite element analysis

U662.2

A

1008-830X（2015）04-0358-04

2014-12-10

浙江省工業(yè)設(shè)計(jì)科技項(xiàng)目（2013D40038）

李俊來（1981-），男，浙江武義人，博士，講師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)與安全.