“粵劇紅船”橫向強(qiáng)度直接計(jì)算分析

朱繼欣 黃渙青 石科良 吳猛

摘? ? 要：對(duì)于客船而言，取較大型寬值可以帶來(lái)很多的便利，但同時(shí)也引發(fā)了尺度比超過(guò)規(guī)范要求等問(wèn)題。除總縱強(qiáng)度外，橫向強(qiáng)度也成為該類船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)之一。本文基于有限元法，對(duì)“粵劇紅船”進(jìn)行直接計(jì)算，校核其橫向強(qiáng)度，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案提出相應(yīng)建議。

關(guān)鍵詞：橫向強(qiáng)度;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);直接計(jì)算

中圖分類號(hào)：U661.43 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：? Larger breadth value can bring a lot of convenience to passenger ships， but it also causes the scale ratio beyond the specification requirements and other problems. In this case， the transverse strength should be concerned in the hull structural design of this kind of ship besides the general longitudinal strength. Based on the finite element method， this paper conducts the direct transverse strength calculation and evaluation of “Cantonese Opera Red Boat” according to the relevant rules of CCS， and puts forward corresponding optimization suggestions for the structural design scheme according to the calculation results.

Key words： Transverse strength;? Structural design;? Direct strength analysis

1? ? ?前言

客船取較大的型寬可以改善船舶穩(wěn)性，也使甲板面積增大，給總布置帶來(lái)較多便利。但同時(shí)也給船舶結(jié)構(gòu)安全性帶來(lái)相應(yīng)的考驗(yàn)。

增加型寬有可能導(dǎo)致諸如B/D尺度比超過(guò)規(guī)范要求、強(qiáng)橫梁跨距過(guò)大等問(wèn)題。同時(shí)，由于一些特殊船舶使用性能的需要，甲板開(kāi)設(shè)大開(kāi)口也影響結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和強(qiáng)度。因此，對(duì)大尺度型寬船舶除了關(guān)注總縱強(qiáng)度外，橫向強(qiáng)度也成為結(jié)構(gòu)安全的關(guān)注點(diǎn)之一。

“粵劇紅船”為新型水上觀光游覽船，主要用于珠江夜游中進(jìn)行粵劇表演、水上游覽。該船為滿足舞臺(tái)空間的需要，采用了較大型寬設(shè)計(jì)，并且在主甲板上設(shè)有大開(kāi)口、如何保障其橫向強(qiáng)度成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)之一。

本文基于有限元法，利用MSC.Patran/Natran軟件對(duì)該船主船體建模并進(jìn)行直接計(jì)算，以中國(guó)船級(jí)社規(guī)范為準(zhǔn)繩，校核其橫向強(qiáng)度，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

2? ?“粵劇紅船”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該船結(jié)構(gòu)參照CCS《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2014）（以下簡(jiǎn)稱《內(nèi)河規(guī)范》）A級(jí)航區(qū)有關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

本船采用了混合骨架式結(jié)構(gòu)：船底、甲板采用縱骨架式;舷側(cè)采用橫骨架式;船中區(qū)域?yàn)殡p層底結(jié)構(gòu)，主甲板設(shè)有大開(kāi)口。

（2）橫向強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)

本船B/D=4.69>4，超過(guò)《內(nèi)河規(guī)范》第1篇2.2.1要求。按照1.2.7.2要求，當(dāng)船舶B/D不滿足相關(guān)要求時(shí)，應(yīng)按14章規(guī)定校核船舶橫向強(qiáng)度。

3? ? ?橫向強(qiáng)度直接計(jì)算

該船主要航行于珠江航道，按內(nèi)河A級(jí)航區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1? ?計(jì)算模型

根據(jù)《內(nèi)河規(guī)范》第1篇14.7.2.2第（1）條，該船艙段模型選取范圍為：長(zhǎng)度方向從#10～#88;寬度涵蓋全船船寬;高度至主甲板止，不包括上層建筑。

對(duì)該船主要構(gòu)件建立三維有限元模型，模型盡可能地按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)細(xì)則建立。采用右手坐標(biāo)系：坐標(biāo)系原點(diǎn)取FR0處;x方向沿船長(zhǎng)向首為正;y方向沿船寬朝左舷為正;z方向沿垂直方向向上為正。網(wǎng)格尺寸采用半個(gè)肋距，模型共有單元54 267個(gè)，其中板單元40445個(gè)、梁?jiǎn)卧?3 822個(gè)。

計(jì)算采用國(guó)際單位制，即模型長(zhǎng)度單位為米、力的單位為N、壓力單位為Pa。模型中采用的材料為低碳鋼，主要參數(shù)如下：楊氏模量E 2.06×1011 N/m2;泊松比ε 0.3;材料密度ρ 7.85×103 kg/m3。

模型按建造厚度分別對(duì)板單元和梁?jiǎn)卧x屬性;對(duì)梁?jiǎn)卧紤]其法向及偏心。模型如圖1所示。

3.2? ? 工況及載荷

（1）針對(duì)該船的使用特點(diǎn)，取三種裝載模式：滿載出港;滿載到港;空載到港

（2）主要載荷：

① 人員及設(shè)備載荷

按照全船實(shí)際重量分布，將艙段分成若干等分，在對(duì)應(yīng)分段中以節(jié)點(diǎn)力的形式施加載荷;

② 舷外水壓力

根據(jù)《內(nèi)河規(guī)范》第1篇14.7.2.4第（2）條，舷外水壓力可按計(jì)算工況靜水平均吃水加半波高和減半波高的波面確定，舷外水壓力的最大值按下式計(jì)算：

式中：ρ為水密度;g為重力加速度;h為波面高度，取1.25 m。

舷外水載荷從最高波面處至船底呈線性分布。對(duì)橫強(qiáng)度而言，其舷外水載荷應(yīng)包含如下兩種情況：

余弦波面沿船寬方向分布，左右舷受平均吃水加半波高波面的舷外水載荷，即對(duì)稱載荷（見(jiàn)圖2）;

正弦波面沿船寬方向分布，左舷受平均吃水減半波高波面、右舷受平均吃水加半波高波面的舷外水載荷，即非對(duì)稱載荷（見(jiàn)圖3）。

三種裝載模式下，其舷外水載荷最大值如表1所列。

對(duì)同一種裝載模式，根據(jù)舷外水載荷的不同，可組合為表2六種工況。

3.3? ?邊界條件

根據(jù)《內(nèi)河規(guī)范》第1篇14.7.2.3，對(duì)艙段模型施加相應(yīng)約束。

3.4? ?計(jì)算結(jié)果

（1）位移

根據(jù)《內(nèi)河規(guī)范》第1篇14.7.2.5，船體和上層建筑主要構(gòu)件的最大撓曲變形應(yīng)不大于其跨距的1/400[1]。該船橫向強(qiáng)度關(guān)注的是強(qiáng)橫梁、實(shí)肋板與強(qiáng)肋骨等橫向構(gòu)件，其最大跨距為9 m，許用撓曲變形為22.5 mm。

經(jīng)計(jì)算，橫向強(qiáng)構(gòu)件在各個(gè)工況下最大位移為4.3 mm，小于許用值。

（2）應(yīng)力

根據(jù)《內(nèi)河規(guī)范》第1篇14.7.2.5，結(jié)合所使用鋼材的材料系數(shù)為1，許用應(yīng)力如表3所列。

4? ? ?結(jié)論

綜上所述，可得出如下結(jié)論：

（1） 應(yīng)力最大值出現(xiàn)在實(shí)肋板與縱向艙壁交接處，這是出于舞臺(tái)布置的需要，使得該處結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行有效結(jié)構(gòu)過(guò)渡銜接。對(duì)此可在設(shè)計(jì)中采用局部加厚實(shí)肋板方法，以滿足強(qiáng)度需要;

（2） 甲板大開(kāi)口使結(jié)構(gòu)損失橫向連續(xù)性，對(duì)構(gòu)件抵抗橫向彎曲產(chǎn)生影響。同時(shí)，由于型寬值較大，橫向構(gòu)件跨距普遍較大。為此可在設(shè)計(jì)中增加橫向強(qiáng)構(gòu)件的密度，或增加構(gòu)件尺寸，并在大開(kāi)口兩端設(shè)置縱桁，減小橫向構(gòu)件的跨距;

（3）本文僅從橫向強(qiáng)度出發(fā)，并未結(jié)合大開(kāi)口綜合考慮橫向彎曲與扭轉(zhuǎn)組合作用下的計(jì)算工況。對(duì)后續(xù)同類型船，可綜合考慮彎扭組合下的計(jì)算工況。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[S].北京：人民交通出版社. 2014.

[2]王杰德， 楊永謙. 船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 1995.