載重24 000 t多用途船艙口蓋強(qiáng)度計(jì)算

陳 攀， 姜 磊

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430064； 2.交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院， 北京100088)

載重24 000 t多用途船艙口蓋強(qiáng)度計(jì)算

陳 攀1， 姜 磊2

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430064； 2.交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院， 北京100088)

建立載重24 000 t多用途船貨艙艙口蓋有限元模型，考慮艙口蓋承受露天風(fēng)雨載荷、裝載20英尺集裝箱、裝載40英尺集裝箱3種載荷工況，依據(jù)CCS規(guī)范對(duì)艙口蓋進(jìn)行直接計(jì)算及分析。結(jié)果表明，3種載荷工況下，艙口蓋變形及應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。分析不同工況下艙口蓋艙蓋板鉸鏈連接處有無垂向限位器對(duì)艙口蓋應(yīng)力及變形的影響。結(jié)果表明，裝載20英尺集裝箱垂向限位器在減小艙口蓋之間的相對(duì)變形及降低限位器處艙口蓋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力效果最好，并提出該類型艙口蓋設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

艙口蓋；垂向限位器；強(qiáng)度；剛度；有限元

0 引言

船舶艙口蓋的作用是承受貨物載荷，然而在航行中艙口蓋還必須承受風(fēng)雨及上浪等載荷，因此，艙口蓋除對(duì)剛度和強(qiáng)度有一定要求外，還需要保證船舶貨艙口的風(fēng)雨密閉性。張恒等[1]、楊趙華等[2]、王明強(qiáng)等[3]、陳家旺等[4]、張玉蓮等[5]、鐘天谷等[6]對(duì)各類船舶艙口蓋強(qiáng)度進(jìn)行了分析。垂向限位器的作用是防止艙口蓋之間產(chǎn)生過度相對(duì)變形，并保持艙口風(fēng)雨密[7]，但在蓋板間設(shè)置垂向限位器會(huì)對(duì)艙口蓋板變形及強(qiáng)度產(chǎn)生影響，在設(shè)計(jì)中應(yīng)慎重考慮。

以載重24 000 t多用途船艙口蓋為研究對(duì)象，采用MSC.Patran軟件建立艙口蓋有限元計(jì)算模型。參照相應(yīng)規(guī)范要求，采用MSC.Nastran軟件計(jì)算艙口蓋結(jié)構(gòu)在各工況下的變形及應(yīng)力，并討論在3種載荷工況下有無垂向限位器對(duì)艙口蓋板結(jié)構(gòu)變形大小及應(yīng)力分布變化的影響，根據(jù)結(jié)果分析該類型艙口蓋設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。

1 有限元模型

1.1 艙口蓋模型

在相鄰艙口蓋的縱桁腹板間設(shè)置垂向限位器，共10個(gè)，具體位置如圖1所示。垂向限位器分別位于相鄰艙蓋間的方形區(qū)域。8個(gè)貨艙的艙蓋板中有7個(gè)結(jié)構(gòu)相似，選取最大的艙口蓋對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核。

每個(gè)艙口蓋由3塊艙蓋板組成，分別為P1，P2和P3，其中P1與P3呈對(duì)稱布置，模型如圖2所示。

圖1 艙口蓋結(jié)構(gòu)圖

圖2 艙口蓋結(jié)構(gòu)模型

1.2 建模原則

建立有限元模型時(shí)，根據(jù)構(gòu)件尺寸選取單元網(wǎng)格尺寸，考慮縱桁、強(qiáng)橫梁腹板高度取3個(gè)單元，單元尺寸約為180 mm，艙口蓋結(jié)構(gòu)均用板殼單元模擬。整個(gè)模型共有13 930個(gè)節(jié)點(diǎn)、16 080個(gè)單元。

1.3 結(jié)構(gòu)材料

貨艙艙口蓋部分頂板、強(qiáng)橫梁和縱桁采用AH36 高強(qiáng)度鋼，其他構(gòu)件采用CCS A 級(jí)鋼。鋼材彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85 t/mm3，CCS A級(jí)鋼屈服強(qiáng)度為235 MPa， AH36 高強(qiáng)度鋼屈服強(qiáng)度為355 MPa。

1.4 艙口蓋邊界條件

艙口蓋的邊界設(shè)置了一定數(shù)量的縱向和橫向限位器和支撐塊，如圖1所示。縱骨方向前后共有18個(gè)縱向限位器，約束縱向限位器區(qū)域內(nèi)模型節(jié)點(diǎn)的x向位移；艙口蓋船寬方向兩側(cè)共有16個(gè)橫向限位器，約束橫向限位器區(qū)域內(nèi)模型節(jié)點(diǎn)的y向位移；支撐塊限制z向位移。另外，根據(jù)蓋板間垂向限位器的特性，采用Patran軟件中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)MPC功能，將垂向限位器相連的相鄰艙口蓋節(jié)點(diǎn)z向位移關(guān)聯(lián)。表1為艙口蓋邊界及關(guān)聯(lián)條件。

表1 艙口蓋邊界及關(guān)聯(lián)條件

1.5 強(qiáng)度衡準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)范[8]第2.20節(jié)的要求，艙口蓋Q235/AH36在裝載集裝箱的工況下許用正應(yīng)力、許用剪應(yīng)力、許用撓度如表2所示。

表2 集裝箱工況下鋼材許用應(yīng)力和撓度

艙口蓋Q235/AH36在設(shè)計(jì)波浪工況下的許用正應(yīng)力、許用剪應(yīng)力、許用撓度如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)波浪工況下鋼材許用應(yīng)力和撓度

2 計(jì)算載荷及工況

根據(jù)規(guī)范[8]要求，風(fēng)雨載荷以均布?jí)毫ψ饔糜谂摽谏w蓋板，并在集裝箱箱角處的單元上施加集中載荷。

2.1 風(fēng)雨載荷

根據(jù)規(guī)范[8]第2.20.9.2節(jié)要求，由于該艙口蓋屬于鋼質(zhì)風(fēng)雨密艙口蓋，因此設(shè)計(jì)的風(fēng)雨載荷為17.17 kN/m2。載荷施加如圖3所示(圖3中視圖沿船寬方向)。

圖3 風(fēng)雨載荷

2.2 20英尺集裝箱載荷

按照布置圖艙口蓋上方集裝箱最高層數(shù)，計(jì)算20英尺集裝箱重量并分?jǐn)偟较浣牵總€(gè)箱角的載荷為117 720 N。載荷施加如圖4所示(圖4中視圖沿船寬方向)。

圖4 20英尺集裝箱載荷

2.3 40英尺集裝箱載荷

按照布置圖艙口蓋上方集裝箱最高層數(shù)，計(jì)算40英尺集裝箱重量并分?jǐn)偟较浣牵總€(gè)箱角的載荷為235 440 N。載荷施加如圖5所示(圖5中視圖沿船寬方向)。

圖5 40英尺集裝箱載荷

2.4 計(jì)算工況

艙口蓋計(jì)算工況如表4所示，工況1，3和5為要求計(jì)算的工況，但為了討論有無垂向限位器對(duì)艙口蓋板變形大小和應(yīng)力分布的影響，對(duì)各工況分別設(shè)置不設(shè)垂向限位器(工況2，4，6)，便于進(jìn)行對(duì)比。

表4 艙口蓋計(jì)算工況

3 直接計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

多用途船艙口蓋在各載荷工況作用下的變形及應(yīng)力最大值分別如表5～表7所示。

表5 艙口蓋變形 mm

表6 艙口蓋主要構(gòu)件相當(dāng)應(yīng)力 N/mm2

表7 艙口蓋主要構(gòu)件剪切應(yīng)力 N/mm2

表5為各工況下艙口蓋最大變形及P1與P2艙蓋懸邊縱桁腹板的變形。由于P1與P2相鄰(見圖2)且沒有支撐，該區(qū)域的變形是最大的。 P2艙蓋在懸邊處的變形比P1艙蓋小，原因是P1艙蓋在靠近懸邊處的蓋板上方承受集裝箱箱角力，該區(qū)域類似懸臂結(jié)構(gòu)，因此變形大，但P2艙蓋只是在艙蓋中心區(qū)域承受箱角力，且在懸邊處有較強(qiáng)的縱桁，因此艙蓋邊緣變形小，但中心區(qū)域變形大，具體載荷示意如圖3所示。LC5與LC6工況為艙口蓋承受40英尺集裝箱，箱角位于艙口蓋邊緣，艙口蓋邊緣受力，中心區(qū)域不受力(見圖4)，故裝載40英尺集裝箱時(shí)艙口蓋變形最小。LC1與LC2工況為艙口蓋承受風(fēng)雨載荷，艙口蓋整體變形比較一致。

表6和表7為不同載荷作用下垂向關(guān)聯(lián)器關(guān)聯(lián)或不關(guān)聯(lián)情況下艙口蓋各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果。從表6和表7可以看出，應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，且與變形大小保持一致，其中裝載20英尺集裝箱時(shí)艙口蓋構(gòu)件應(yīng)力最大。

3.2 垂向限位器對(duì)艙口蓋的影響分析

3.2.1 艙口蓋變形

LC1工況下艙口蓋沒有垂向限位器，相鄰艙蓋板懸邊縱桁的相對(duì)變形量為Δv=0.2 mm；LC2工況下艙口蓋設(shè)置了垂向限位器，相鄰艙蓋板懸邊處關(guān)聯(lián)縱桁的相對(duì)變形量Δv=0.1 mm：可見垂向限位器的作用并不是特別明顯。

LC3工況下艙口蓋沒有垂向限位器，相鄰艙蓋板懸邊縱桁最大相對(duì)變形量為Δv=14.5 mm；LC4工況下艙口蓋設(shè)置了垂向限位器，相鄰艙蓋板懸邊處關(guān)聯(lián)縱桁最大相對(duì)變形量為Δv=1.8 mm，艙口蓋整體最大變形由34.7 mm降至30 mm：這表明在裝載20英尺集裝箱時(shí)垂向限位器作用非常明顯。

LC5工況下艙口蓋沒有垂向限位器，相鄰艙蓋板懸邊縱桁最大相對(duì)變形量為Δv=3.26 mm；LC6工況下艙口蓋設(shè)置了垂向限位器，相鄰艙蓋板懸邊處關(guān)聯(lián)縱桁最大相對(duì)變形量為Δv=0.12 mm：這表明在裝載40英尺集裝箱時(shí)垂向限位器有一定作用，可減小蓋板間相對(duì)變形。

分析6種工況的計(jì)算結(jié)果：裝載20英尺集裝箱時(shí)，艙口蓋相鄰蓋板間不設(shè)置垂向限位器比設(shè)置垂向限位器的相對(duì)變形要大很多。船舶長(zhǎng)期航行中，艙蓋板之間的相對(duì)變形有可能無法保證貨艙的風(fēng)雨密狀態(tài)。載荷作用位置對(duì)艙口蓋變形影響最大，以20英尺集裝箱載荷為例，P1艙蓋鉸鏈連接處蓋板承受集裝箱箱角力類似于懸臂結(jié)構(gòu)端部受力，導(dǎo)致P1蓋板結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力均較大，因此建議設(shè)計(jì)艙口蓋時(shí)考慮載荷作用位置，避免懸邊承受載荷。如果懸邊不得不承受載荷，那么設(shè)置垂向限位器十分必要。

3.2.2 艙口蓋構(gòu)件應(yīng)力

6種工況下艙口蓋各構(gòu)件正應(yīng)力和剪切應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，但設(shè)置垂向限位器后P1和P2艙蓋各構(gòu)件應(yīng)力變化趨勢(shì)與變形趨勢(shì)一致。垂向限位器關(guān)聯(lián)P1與P2艙蓋，減少了兩者間相鄰處的相對(duì)變形，P1艙蓋變形減小，P2艙蓋變形有所增大。從表6可知設(shè)置垂向限位器后，P1蓋板各構(gòu)件應(yīng)力水平下降，P2蓋板各構(gòu)件應(yīng)力水平上升，但是艙口蓋最大正應(yīng)力和剪切應(yīng)力值均比未設(shè)置垂向限位器時(shí)小。設(shè)置垂向限位器后還可對(duì)艙口蓋結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，減小材料需求。

4 結(jié)論

依據(jù)相應(yīng)規(guī)范，采用數(shù)值方法對(duì)多用途船艙口蓋在不同工況載荷作用下的強(qiáng)度及剛度進(jìn)行計(jì)算及分析，得到不同工況下艙口蓋最大應(yīng)力值、變形值及應(yīng)力分布狀況，并對(duì)垂向限位器對(duì)艙口蓋在各工況作用下的影響程度進(jìn)行分析，通過分析得到如下結(jié)論：

(1) 本船艙口蓋在各工況載荷作用下強(qiáng)度及剛度均滿足規(guī)范要求，最大應(yīng)力及變形出現(xiàn)在承載20英尺集裝箱工況下，原因?yàn)樵摴rP2艙蓋懸邊承受集裝箱箱角載荷，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免艙口蓋懸邊承受集中載荷。

(2) 計(jì)算分析艙口蓋剛度特性時(shí)，須全面分析各種不利的設(shè)計(jì)載荷工況。艙口蓋懸邊、支撐點(diǎn)處的變形及應(yīng)力是設(shè)計(jì)、計(jì)算的關(guān)注重點(diǎn)。

(3) 設(shè)置垂向限位器有利于艙口蓋的剛度及強(qiáng)度優(yōu)化，特別是當(dāng)艙口蓋懸邊承受集中載荷作用時(shí)，垂向限位器的作用最明顯。

(4) 設(shè)計(jì)帶有垂向限位器的艙蓋板時(shí)，因垂向限位器連接相鄰艙口蓋，傳遞艙口蓋承受的載荷，可減小兩者間相對(duì)變形，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)校核垂向限位器的強(qiáng)度能否滿足要求。

[1] 張恒, 謝永和.考慮慣性載荷的多用途船艙口蓋強(qiáng)度分析[J]. 船舶工程, 2010，32(5)：4-6.

[2] 楊趙華, 吳衛(wèi)國(guó).基于共同規(guī)范的散貨船艙口蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J]. 交通科技, 2008(2): 110-112.

[3] 王明強(qiáng),徐健. 基于均勻法的風(fēng)雨載荷下折疊式艙口蓋拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 船舶工程,2014(1):10-13.

[4] 陳家旺,韓強(qiáng),楊新利. 礦砂船貨艙NO.1艙口蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J]. 船舶,2011(6):40-45.

[5] 張玉蓮,陳勝,鄭雄勝. 液壓艙口蓋甲板支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),2008(2):305-307.

[6] 鐘天谷,謝永和. 多用途船艙口蓋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與優(yōu)化[J]. 造船技術(shù),2007(6):24-26.

[7] 張潤(rùn)華, 潘忠兵. 垂向限位器對(duì)艙口蓋強(qiáng)度特性的影響分析[J]. 船舶工程, 2013(2): 13-15.

[8] 中國(guó)船級(jí)社. 國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2012.

Structure Strength Calculation of Hatch Cover of 24 000 t Multipurpose Vessel

CHEN Pan1, JIANG Lei2

(1.China Ship Design and Development Center, National Key Laboratory on Ship Vibration & Noise, Wuhan 430064, Hubei, China; 2.China Waterborne Transport Research Institute, Beijing 100088, China)

Finite element model of hatch cover of 24 000 t multipurpose vessel is foundered. According to rules of CCS, the strength of hinged folding hatch cover is calculated and analyzed under three kind of extreme loading conditions of vertical weather load, twenty equivalent unit load and fourty equivalent unit load, which shows that stress and deformation of the hinged folding hatch cover meet the demands of rules of CCS. The effects of the vertical guides connecting two hatch covers on deformation and stress of cover under three loads of vertical weather, twenty equivalent unit , and fourty equivalent unit are also studied, which shows that the vertical guides can restrict the relative deformation between panels of the hatch rover and stress effectively under twenty equivalent unit loadcase, and the design considerations of this kind of hatch cover are put forwarded.

hatch cover; vertical guide; strength; stiffness; FEM

交通運(yùn)輸部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(編號(hào)： 20113282221590)。

陳 攀(1989-)，男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)振動(dòng)。

U663

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