某海洋試驗(yàn)船橫向強(qiáng)度評(píng)估

陳亮亮+羅慧明+陶榮斌+龔小超

（廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，廣州 510250）

摘 要：對(duì)于扁平狀船舶來(lái)說(shuō)，橫向強(qiáng)度是一個(gè)非常重要的強(qiáng)度問(wèn)題。本文參考中國(guó)船級(jí)社《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2012）關(guān)于駁船橫向強(qiáng)度的計(jì)算方法，利用大型商用有限元分析軟件MSC.PATRAN/NASTRAN對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算，校核某海洋試驗(yàn)船的橫向強(qiáng)度，驗(yàn)證了該船采用的橫向框架結(jié)構(gòu)的安全性。

關(guān)鍵詞：橫向總強(qiáng)度；海洋試驗(yàn)船；直接計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：U661.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

船體強(qiáng)度研究的主要任務(wù)是研究船體結(jié)構(gòu)抵抗破壞和變形的規(guī)律。把船體作為一個(gè)整體來(lái)研究其強(qiáng)度問(wèn)題稱(chēng)為船體總強(qiáng)度，包括縱向總強(qiáng)度、橫向總強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)總強(qiáng)度等。我院設(shè)計(jì)的某海洋綜合試驗(yàn)船，橫剖面呈扁平狀，其橫向強(qiáng)度問(wèn)題對(duì)該型船的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)具有重要的影響。

因該船的B/D > 3，故參考《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2012） 中關(guān)于駁船橫向強(qiáng)度的校核方法，采用商用有限元分析軟件MSC.PATRAN/NASTRAN建立結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)該船橫向強(qiáng)度進(jìn)行應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算，并按照規(guī)范的強(qiáng)度衡準(zhǔn)對(duì)該船的橫向強(qiáng)度進(jìn)行校核。

2 船舶概述與有限元模型

本船的主要參數(shù)如下：

計(jì)算船長(zhǎng) 83.86 m

型寬 18 m

型深 5.5 m

結(jié)構(gòu)吃水 4.0 m

有限元坐標(biāo)系統(tǒng)取右手坐標(biāo)系：X方向?yàn)榇w的縱向，以船首為正；Y方向?yàn)榇w的橫向，以船中縱線向左舷為正；Z方向?yàn)榇w的垂向，以基線向上為正；坐標(biāo)原點(diǎn)在中縱剖面、基線和0號(hào)肋位的交點(diǎn)處。

模型縱向范圍（X方向），取船中FR56～FR77；橫向范圍（Y方向），取整個(gè)船寬；垂向范圍（Z方向），取基線到主甲板。

有限元模型的單元類(lèi)型：主甲板、縱桁腹板、強(qiáng)橫梁腹板、艙壁板等結(jié)構(gòu)，用殼單元模擬；艙壁扶強(qiáng)材、甲板橫梁、縱桁面板、強(qiáng)橫梁面板等結(jié)構(gòu)，用梁?jiǎn)卧M。

該模型總共有25145個(gè)單元，其中5605個(gè)梁?jiǎn)卧?8339個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中的網(wǎng)格尺寸為：縱向、橫向和垂向，按300 mm左右為一個(gè)單元?jiǎng)澐帧?/p>

有限元模型的材料參數(shù)：整個(gè)結(jié)構(gòu)采用船用A級(jí)鋼，其彈性模量E=2.06 x 105 Mpa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3。有限元模型單位：長(zhǎng)度為mm，力為N，壓強(qiáng)為MPa。

圖1為有限元模型情況，為了表達(dá)清晰，圖中隱去了主甲板。

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2012）的要求，模型前后兩端橫艙壁所有節(jié)點(diǎn)均約束3個(gè)線位移。

3 計(jì)算載荷與工況

3.1 計(jì)算載荷

橫向強(qiáng)度的計(jì)算工況，僅考慮甲板最大許用載荷和舷外水壓力的作用，不考慮船體梁彎矩（包括垂向和水平）的作用。

甲板最大許用載荷計(jì)算中，ho值按照《GCY948-021-02JS-結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算書(shū)》中取為1.37 m，其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)載荷p按下式計(jì)算：

（1）

舷外水壓力載荷由靜水壓力和波浪水壓力兩部分組成：

在基線處 （2）

在水線處 （3）

在舷側(cè)頂端處 （4）

式中：

d為吃水，m；

D為型深，m。

在計(jì)算工況中采用施加于兩舷的不對(duì)稱(chēng)舷外水壓力來(lái)模擬：假定一舷側(cè)受到靜水壓力和波浪壓力的疊加作用；另一舷側(cè)受到靜水壓力和反向波浪壓力的作用。

載荷作用分布情況，見(jiàn)圖2。

3.2 計(jì)算工況

海洋試驗(yàn)船在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，其遭受的載荷與海況是多種多樣的，規(guī)范中給出了兩種最危險(xiǎn)的計(jì)算工況：

（1）對(duì)稱(chēng)工況： 甲板最大許用載荷+舷外靜水壓力+由外向內(nèi)的兩舷對(duì)稱(chēng)受壓的波浪動(dòng)壓力；載荷分布，如圖3所示。

（2）非對(duì)稱(chēng)工況： 甲板最大許用載荷+舷外靜水壓力+一舷由外向內(nèi)、另一舷由內(nèi)向外作用的反對(duì)稱(chēng)受壓的波浪動(dòng)壓力；載荷分布，如圖4所示。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 應(yīng)力水平匯總

應(yīng)力水平匯總表，見(jiàn)表2～3。

表中：σe—板單元的相當(dāng)應(yīng)力，Mpa；τ—基于腹板總高度的平均應(yīng)力，Mpa；σrod—桿單元的軸向應(yīng)力或梁?jiǎn)卧恼龖?yīng)力，Mpa。

4.2 計(jì)算結(jié)果云圖

計(jì)算結(jié)果云圖如圖5～12所示。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)CCS《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2012）對(duì)新設(shè)計(jì)的某海洋試驗(yàn)船的橫向強(qiáng)度，采用直接計(jì)算法進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)估。計(jì)算結(jié)果表明：在以上兩種工況條件下，計(jì)算模型中任一單元最大應(yīng)力均不超過(guò)規(guī)范所規(guī)定的強(qiáng)度衡準(zhǔn)，因此該船結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范對(duì)橫向強(qiáng)度的要求。

本文給出的海洋試驗(yàn)船橫向強(qiáng)度評(píng)估直接計(jì)算方法和完善的分析流程，可以為今后類(lèi)似船舶的橫向強(qiáng)度評(píng)估提供一個(gè)參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊代盛.船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].上海交通大學(xué)，1981.

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

[3]劉兵山，黃聰.PATRAN從入門(mén)到精通[M].中國(guó)水利水電出版社，2003.