32 500 DWT多用途船甲板集裝箱撐柱結(jié)構(gòu)計(jì)算

徐　鵬，張　媛，謝永和，2

（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山　316022；2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山　316022）

32 500 DWT多用途船甲板集裝箱撐柱結(jié)構(gòu)計(jì)算

徐鵬1，張媛1，謝永和1，2

（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022；2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山316022）

32 500 DWT多用途船兼?zhèn)渖⒇洿图b箱船的特征，既能用于運(yùn)載散裝貨物，又能運(yùn)載集裝箱貨物，最大要求地滿足了船東的要求。國(guó)內(nèi)尚沒有專門針對(duì)多用途船甲板集裝箱撐柱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則和規(guī)范。本文主要是參考CCS鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范（2012）和2013年修改通報(bào)中的部分內(nèi)容，利用MSC.Nastran軟件進(jìn)行有限元分析，研究32 500 DWT多用途船在裝載集裝箱時(shí)垂蕩工況和橫搖工況下集裝箱撐柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并且提出了合理的局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的意見。

多用途船；集裝箱甲板撐柱；有限元計(jì)算；局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

多用途船是一種能載運(yùn)雜貨、散貨及集裝箱等多種“不確定性”貨物的船型，具有載運(yùn)高效，使用簡(jiǎn)便的特點(diǎn)［1-2］。隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)海上多用途船的需求不斷上升［3］。MSC.Nastran是當(dāng)前國(guó)際上流行的大型結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，在船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域，越來越廣泛地應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算與校核［4］。為了保證船舶結(jié)構(gòu)的安全可靠，我們需要根據(jù)多用途船的裝載特點(diǎn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算。

因?yàn)槎嘤猛敬羌鎮(zhèn)溥\(yùn)輸散貨和集裝箱的船舶，本文考慮的是集裝箱裝載工況下，甲板以上集裝箱舷側(cè)撐柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題。甲板上的集裝箱受到的外力包括船舶運(yùn)動(dòng)引起的力、集裝箱自身的重力及風(fēng)壓力［5］。甲板以上靠近船舷兩側(cè)的集裝箱，固定在甲板撐柱上，在船舶橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)候，位于舷側(cè)的集裝箱列箱，加速度大，位移也最大。此處集裝箱的箱角處的受力也是最大。因此，為了保證船舶結(jié)構(gòu)的安全性，有必要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。集裝箱撐柱如圖1所示，本文的集裝箱船某個(gè)舷側(cè)部位撐柱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　某集裝箱船甲板上撐柱圖Fig.1　The pillars on a container ship's deck

圖2　本船的某個(gè)撐柱結(jié)構(gòu)圖Fig.2　A pillar structure of a container ship

1　有限元仿真模型

本文主要是研究32 500 DWT多用途船甲板上的集裝箱撐柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，探討在不同集裝箱裝載工況下的甲板上支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，利用MSC.Patran軟件建立有限元仿真模型，并利用Nastran進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)有限元模型數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)構(gòu)，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。該船的主要的主尺度以及主要參數(shù)見表1。

表1　32 500 DWT多用途船主尺度以及參數(shù)Tab.1　The principal dimension and parameters of 32 500 DWT multi-purpose vessel

1.1模型的建立

根據(jù)《規(guī)范》及《修改通報(bào)》要求，用三維有限元模型進(jìn)行32 500 DWT多用途船撐柱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度直接計(jì)算時(shí)，由于對(duì)稱性取右舷撐柱結(jié)構(gòu)。由于部分撐柱結(jié)構(gòu)相似性，取典型計(jì)算區(qū)域撐柱建模計(jì)算。根據(jù)以上原則，本文只列出船首區(qū)域、艙段區(qū)域和船尾區(qū)域的部分甲板上撐柱結(jié)構(gòu)模型，其不同肋位的結(jié)構(gòu)有限元仿真模型如圖3～6所示。

圖3　有限元模型示意圖（Fr181～Fr209）Fig.3　Finite element model（Fr181～Fr209）

圖4　有限元模型示意圖（Fr85～Fr101）Fig.4　Finite element model（Fr85～Fr101）

圖5　有限元模型示意圖（Fr160～Fr183）Fig.5　Finite element model（Fr160～Fr183）

圖6　艉部有限元模型示意圖（Fr15～Fr41）Fig.6　Finite element model （Fr15～Fr41）

1.2材料及邊界條件

本船的材料為船用結(jié)構(gòu)鋼。材料的具體參數(shù)為：密度，模量，泊松比，屈服強(qiáng)度ReH1=235MPa，ReH2= 335MPa（AH36）。

甲板以上的集裝箱撐柱強(qiáng)度計(jì)算認(rèn)為是局部強(qiáng)度有限元計(jì)算，模型的各端面邊界條件均采用線位移約束，角位移不約束，見表2。

表2　有限元計(jì)算邊界條件Tab.2　The boundary conditions of the finite element calculation

2　計(jì)算工況及載荷

2.1計(jì)算工況

本船航行于中國(guó)近海航區(qū)，主要裝運(yùn)集裝箱，同時(shí)適裝煤炭等散裝貨物的多用途船。參照本船集裝箱裝載系固計(jì)算書，分五種工況對(duì)本船進(jìn)行分析在滿載工況下，如表3所示，裝箱量可達(dá)到1768TEU或（718FEU+332TEU）或（176*45'HQ+520FEU+332TEU）。

表3　集裝箱船裝載計(jì)算工況Tab.3　Calculation cases of container loading

2.2加載方式

對(duì)于集裝箱所受的力，根據(jù)船舶裝載工況及船舶運(yùn)動(dòng)予以確定。這些里包括船舶的橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的集裝箱慣性力以及集裝箱的總重量、風(fēng)力、系固力和波浪的沖擊力［6］。在本船的撐柱計(jì)算中，根據(jù)實(shí)際裝載情況，考慮了集裝箱垂向加速度對(duì)撐柱產(chǎn)生的受力和橫搖運(yùn)動(dòng)對(duì)撐柱產(chǎn)生的受力兩種情況。

根據(jù)集裝箱裝載布置以及撐柱在甲板的結(jié)構(gòu)特征，將船中區(qū)域結(jié)構(gòu)相似的撐柱及支撐結(jié)構(gòu)做相似問題處理，在同一區(qū)域選取受力最大的撐柱進(jìn)行加載受力分析，并按同樣結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式處理。撐柱各工況受力取自《規(guī)范》及《修改通報(bào)》要求與集裝箱系固計(jì)算書。

集裝箱加速度以前的垂向力要均布在甲板上撐柱的四箱角上，對(duì)于一個(gè)撐柱上面可能支持2個(gè)、3個(gè)或者4個(gè)箱角，對(duì)于超過1個(gè)的集裝箱箱角，受力采用疊加原則。表4、表5、表6給出了船首、艙段和船尾的部分撐柱撐柱受力的最大值。

垂向加速度載荷公式：

式中：G為集裝箱的總質(zhì)量；φm為最大橫搖角；av為垂向加速度；垂向加速度av應(yīng)取以下av1和av2表達(dá)式中的最大者：

表4　垂向加速度引起船首部分撐柱受力Tab.4　Force of some pillars of bow induced by vertical acceleration

表5　垂向加速度引起艙段部分撐柱受力Tab.5　Force of some pillars of cabin induced by vertical acceleration

表6　垂向加速度引起船尾部分撐柱受力Tab.6　Force of some pillars of stern induced by vertical acceleration

在甲板上，舷旁外側(cè)的箱體會(huì)受到風(fēng)壓的影響，有時(shí)候也會(huì)增加綁扎裝置。所以不盡要考慮集裝箱的橫搖慣性力，還要考慮綁扎力。撐柱的受力不盡包括集裝箱的箱角的直接受力，同時(shí)還包括綁扎件對(duì)撐柱的受力。每一種工況的計(jì)算中，、艙外有風(fēng)壓和無風(fēng)壓時(shí)不同位置處集裝箱的受力情況。表7、表8、表9給出了船首、艙段和船尾的部分撐柱撐柱受力的最大值。

表7　橫搖風(fēng)載工況下船首甲板上部分撐柱受力Tab.7　Force of some pillars on the bow's deck in the rolling wind loading

表8　橫搖風(fēng)載工況下貨艙艙段甲板上部分撐柱受力Tab.8　Force of some pillars on the cabin's deck in the rolling wind loading

表9　橫搖風(fēng)載工況下船尾甲板上部分撐柱受力Tab.9　Force of some pillars on the stern's deck in the rolling wind loading

3　有限元計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)《修改通報(bào)》附錄1中5.4.1的要求，取許用剪切應(yīng)力0.4 ReH1=94 MPa，取許用相當(dāng)應(yīng)力為0.88 ReH2=206.8 MPa。通過對(duì)該多用途船集裝箱甲板以上撐柱結(jié)構(gòu)的有限元模型的數(shù)值計(jì)算，得到在集裝箱裝載工況LC1～LC5的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布。表10給出了在各個(gè)工況下的最大應(yīng)力校核匯總。圖7～14給出了撐柱結(jié)構(gòu)在各工況下的最大應(yīng)力云圖。通過校核比較，32 500 DWT多用途船撐柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足《規(guī)范》及《修改通報(bào)》要求。

表10　在各個(gè)工況下最大應(yīng)力校核匯總Tab.10　The summary of maximum stress check under various conditions

圖7　貨艙前部模型最大相當(dāng)應(yīng)力云圖Fig.7　The nephogram of the maximum equivalent stress of the forward cabin model

圖8　貨艙前部模型最大剪切應(yīng)力云圖Fig.8　The nephogram of the maximum shear stress of the forward cabin model

圖9　貨艙Fr85～Fr101模型最大相當(dāng)應(yīng)力云圖Fig.9 The nephogram of the maximum equivalent stress of the cabin model（Fr85～Fr101）

圖10　貨艙Fr85～Fr101模型最大剪切應(yīng)力云圖Fig.10　The nephogram of the maximum shear stress of the cabin model（Fr85～Fr101）

圖11　貨艙Fr163～Fr183模型最大相當(dāng)應(yīng)力云圖Fig.11　The nephogram of the maximum equivalent stress of the cabin model（Fr163～Fr183）

圖12　貨艙Fr163～Fr183模型最大剪切應(yīng)力云圖Fig.12　The nephogram of the maximum shear stress of the cabin model（Fr163～Fr183）

圖13　船尾1模型最大相當(dāng)應(yīng)力云圖Fig.13　The nephogram of the maximum equivalent stress of stern 1

圖14　船尾1模型最大剪切應(yīng)力云圖Fig.14　The nephogram of the maximum shear stress of stern 1

4　結(jié)語(yǔ)

對(duì)32 500 DWT多用途船集裝箱裝載工況下集裝箱甲板撐柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的討論與分析，可以得到如下結(jié)論：

1）主要應(yīng)力集中在箱角部位，有必要對(duì)箱角周圍的艙壁、肘板、甲板等相連部位進(jìn)行局部板厚加強(qiáng)。

2）撐柱沿船長(zhǎng)方向的端壁，盡量焊接在強(qiáng)框架、強(qiáng)橫梁或者艙段艙壁等強(qiáng)結(jié)構(gòu)上，這樣有利于加強(qiáng)力的傳遞，減少應(yīng)力集中。

3）撐柱甲板下，沒有船體強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)的話，一般加肘板進(jìn)行加強(qiáng)，肘板端部需要延伸到艙壁的舷側(cè)強(qiáng)強(qiáng)縱骨的位置。

［1］陳方，李中揚(yáng).24 000 DWT多用途船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.船舶設(shè)計(jì)通訊，2011（增刊）：38-43.

［2］胡關(guān)德，王剛毅.多用途船船型及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介［J］.船舶設(shè)計(jì)通訊，2010（增刊）：20-25.

［3］張潤(rùn)華，潘忠兵，陸陳康.多用途船集裝箱裝載工況直接計(jì)算分析［J］.船舶與海洋工程，2014（3）：63-68.

［4］張曉君.基于Nastran的船舶局部強(qiáng)度有限元分析［J］.浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，25（3）：295-300.

［5］姜朝妍，王建平.甲板集裝箱的綁扎［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1999（3）：48-50.

［6］中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2012.

The Calculation of Container Pillar Structures on the Deck of 32 500 DWT Multi-Purpose Vessel

XU Peng1，ZHANG Yuan1，XIE Yong-he1，2
（1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022；2.Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province，Zhoushan316022，China）

32 500 DWT multi-purpose ship has the characteristics of both the bulk carriers and container ships.It can be used not only for carrying bulk cargo，but also can carry a containerized goods，which meets the requirements of the owner in the largest degree.There is no detailed structure caculation criteria and standard that specially aimed at the container pillar on the deck in China.In this paper，the structural strength of container pillars of 32 500 DWT Multi-Purpose Vessel on the deck are analyzed in the case of heaving and rolling referring to the partical content of CCS“Rules For Classification of Sea-going Steel Ship”（2012）and “Amendment of Regulations”，by using the software of MSC.Nastran.According to the results of the pilars，reasonable opinions of strengthening local structure are put forward.

multi-purposed vessel；the container pillar on the deck；finite element caclucation；strengthen of local structure

U661

A

1008-830X（2016）02-0144-06

2015-12-10

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目（2012DFR80170）

徐鵬（1989-），男，河北唐山人，碩士研究生，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.E-mail：xupengts@163.com