146.9m近海多用途船貨艙橫向強度計算

程明超

摘 要：根據(jù) CCS《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》2018及其修改通報的要求，當一個貨艙的長度超過0.15L或30m（取大者）時，橫向結(jié)構(gòu)應(yīng)予以加強，并提交相應(yīng)的技術(shù)支持文件。本文選取146.9m近海多用途貨船為研究對象，根據(jù)規(guī)范要求，利用有限元軟件進行貨艙區(qū)域船體結(jié)構(gòu)橫向強度計算分析。結(jié)果表明，該船貨艙區(qū)域的船體強度滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：多用途船;有限元計算;橫向強度

中圖分類號：U674.13? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）05-0115-03

多用途船是一種能載運雜貨、散貨及集裝箱等多種“不確定性”貨物的船型，載運高效，使用簡便[1]。該類船在總布置上有如下特點：一是型寬常比普通貨船要大，因要使用大艙口以提高集裝箱的載運能力。二是為了便于裝載多種貨物，貨艙內(nèi)常設(shè)置二層甲板。三是一般均設(shè)置舷邊艙，且多作壓載艙用。隨著當前航運市場的復蘇，多用途船日益變成船東較為青睞的主力船型之一[2]。

《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》[3]2018 及其 2019、2020 年修改通報第 2 篇 2.12.1.3（2）的規(guī)定，貨艙艙壁應(yīng)均勻地間隔設(shè)置。當一個貨艙的長度超過 0.15L 或 30m（取大者）時，橫向結(jié)構(gòu)應(yīng)予以加強，并提交相應(yīng)的技術(shù)支持文件。本船為146.9m的國內(nèi)航行近海多用途船，現(xiàn)對其貨艙區(qū)域船體結(jié)構(gòu)進行橫向強度計算，驗證船舶的結(jié)構(gòu)強度，從而保證船舶的安全性[4][5]。

1船舶主要素

本船為鋼質(zhì)、單甲板、尾機型、單槳、單舵，由柴油機驅(qū)動的近海航區(qū)多用途船。具有球尾和垂直球鼻首線型。上甲板艏部設(shè)艏樓，尾部上甲板以上設(shè)有六層甲板室。本船設(shè)雙層底艙和邊艙用作壓載水艙。船舶總長為149.8m，設(shè)計水線長為149.3m，垂線間長為146.9m，型寬為22.5m，型深為11.3m，設(shè)計吃水為8.1m，設(shè)有3個貨艙，其中No.1貨艙長37.88m，No.2貨艙長37.730m，No.3貨艙長25.24m。

2有限元模型

本計算使用通用有限元軟件 PATRAN-NASTRAN 進行建模并計算。本船有限元模型原點位于 Fr62，基線與船體中心線交點處。

2.1模型范圍

本模型為 NO.1 貨艙區(qū)的 1/2 個貨艙+NO.2貨艙區(qū)的1/2個貨艙，結(jié)合本船的具體情況，本模型模擬 1/2個 NO.1貨艙+1/2個NO.2貨艙;垂向范圍為船體型深，即從船底外板到艙口圍板頂部;考慮到本船主要構(gòu)件和載荷對稱于縱中剖面，則模型橫向范圍為船體結(jié)構(gòu)的左舷。

2.2船體板材和型材等構(gòu)件模型處理方法

甲板板、外板板、內(nèi)底板、橫艙壁板和縱艙壁板等板材采用4節(jié)點板殼單元模擬，在過渡區(qū)域采用少量三角形單元;甲板、內(nèi)底板、船底外板、內(nèi)殼縱壁、舷側(cè)外板、橫艙壁等板材上的縱骨、扶強材等采用梁單元模擬，并考慮偏心的影響;縱桁、強橫梁等主要構(gòu)件的面板和加強筋采用桿單元模擬;橫艙壁上的水平桁材等高腹板采用4節(jié)點板單元模擬。結(jié)構(gòu)尺寸采用船舶建造厚度。

2.3網(wǎng)格劃分

沿船體橫向按縱骨間距劃分，縱向每檔肋距劃分1個單元格;舷側(cè)外板、內(nèi)殼縱艙壁、甲板板垂向按縱骨間距劃分。橫艙壁垂向按舷側(cè)縱骨間距劃分，橫向按內(nèi)底板縱骨間距劃分。肋板、桁材、艙口圍板在垂直方向上劃分 3個單元，橫艙壁底部采用四邊形單元，并接近正方形，在過渡區(qū)域采用了少量三角形單元;有限元模型見圖1。

2.4材料參數(shù)

鋼材：彈性模量E=2.06e5 MPa，泊松比v=0.3，重量密度 p=7.85e-6 t/mm3。

2.5邊界條件

本船載荷左右對稱，則中縱剖面內(nèi)節(jié)點的橫向線位移為0，繞縱中剖面內(nèi)兩個坐標軸角位移為0，即：δy=θx=θz=0。端面 Fr62 點約束δx、δz、θy、θz;Fr120點約束δz、θy、θz。

3計算工況及設(shè)計載荷

3.1計算工況

根據(jù) CCS《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》第八章附錄一的規(guī)定及穩(wěn)性計算書的實際裝載狀況，計算工況選取四種典型裝載工況，具體計算工況見表1。

3.2設(shè)計載荷

3.2.1液艙內(nèi)液體壓力

液艙內(nèi)液體產(chǎn)生的側(cè)向壓力P按此式計算：。

式中ρ=1.025 t/m3 為海水的密度，g=9.81 m/s2為重力加速度，fr=0.9為近海航區(qū)系數(shù)，h為壓力計算點量至液艙頂?shù)拇怪本嚯x，或量至溢流管頂垂直距離的一半，取大者。

3.2.2貨物壓力

根據(jù)《散貨船結(jié)構(gòu)強度直接計算分析指南》第3章，貨艙內(nèi)貨物壓力為。

3.2.3舷外水壓力

根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2018 及 2019 修改通報）中第 2 篇第 12 章附錄 2.1.2 規(guī)定，舷外水壓力由靜水壓力和波浪水動壓力兩部分組成。其中基線處：，水線處：，舷側(cè)頂端：。式中：; 。

4應(yīng)力衡準及計算結(jié)果

本船采用普通鋼，其材料換算系數(shù)K為1.0。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，外板、內(nèi)底板、舷底縱桁、實肋板、強橫框架的許用應(yīng)力為175/243（AH36）N/mm2，橫向構(gòu)件和縱向構(gòu)件上的梁軸向應(yīng)力的許用應(yīng)力為175/243（AH36）N/mm2。

根據(jù)規(guī)范要求，經(jīng)計算，本船船體結(jié)構(gòu)強度在各個載荷工況下，均滿足規(guī)范的要求。計算結(jié)果見表2-5。

5結(jié)論

根據(jù) CCS《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》2018 及其 2019、2020年修改通報第 2 篇 2.12.1.3（2）的規(guī)定以及《散貨船結(jié)構(gòu)強度直接計算分析指南》的要求，經(jīng)計算，本船貨艙區(qū)域船體結(jié)構(gòu)強度在各個載荷工況下，均滿足規(guī)范的要求。

參考文獻：

[1]陳方，李中揚.24000DWT多用途船結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].船舶設(shè)計通訊，2011（S1）：38-43.

[2]周曉明，陳麟.36000DWT多用途船結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].船舶設(shè)計通訊，2019（S1）：65-71.

[3]中國船級社.國內(nèi)航行海船建造規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2018.

[4]許君林.109.8m沿海甲板貨船橫向強度計算[J].中國水運（下半月），2020，20（06）：1-3.

[5]許君林.58m起重船有限元強度計算[J].中國水運，2020（03）：78-80.