長橫對江渡新能源車客渡船總縱強(qiáng)度計(jì)算分析

羅鎮(zhèn)泉，詹明珠

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前 言

長橫對江渡新能源車客渡船是一艘航行于長興島和橫沙島之間的零排放全電動車客渡船，可承載旅客、中小型汽車、載重汽車。 該船為鋼質(zhì)船體、垂直船首、方尾、單底、單甲板，設(shè)有雙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。 推進(jìn)器艙、機(jī)艙位于尾部車輛甲板（主甲板）以下， 靠近船中位置設(shè)超級電容艙， 總體布置如圖1所示。 船舶主要主尺度如下：

圖1 車客渡船總體布置圖（側(cè)視圖）

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足CCS 《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016），橫剖面如圖2 所示，主要由外板、車輛甲板、駕駛甲板、羅經(jīng)甲板組成。 車輛甲板為強(qiáng)力甲板，車輛甲板以下為主船體，車輛甲板板厚較船底板厚大得多，中和軸位置比較靠近車輛甲板，因而船底處的剖面模數(shù)遠(yuǎn)小于主甲板處的模數(shù)，需要校核船底板總縱強(qiáng)度。 從線型上看，因船中后部需設(shè)電容艙和機(jī)艙而線型豐滿，首部因滾裝靠泊要求則線型比較尖瘦，對總縱強(qiáng)度也有不利影響。 因電容體積較大，在電容艙中不能設(shè)置雙向桁架，不滿足規(guī)范要求，且上層建筑內(nèi)外圍壁有較大開口，破壞了結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，是否會因總縱彎曲導(dǎo)致屈曲問題需要通過有限元計(jì)算來確定。

圖2 車客渡船中橫剖面

1 總縱強(qiáng)度計(jì)算

總縱強(qiáng)度規(guī)范校核采用CCS 計(jì)算軟件COMPASS 系統(tǒng)。 計(jì)算工況如表1 所示。

表1 總縱強(qiáng)度校核工況

各工況下靜水彎矩剪力包絡(luò)線沿船長的分布趨勢見圖3，在各工況下基本處于中拱狀態(tài)，船中靜水彎矩最大，船長1/4 左右的位置靜水剪力最大。靜水彎矩、剪力極值見表2。

表2 最大靜水彎矩、剪力值

圖3 車客渡船靜水彎矩剪力沿船長的分布示意

船舶波浪彎矩和剪力沿船長L 的分布如圖4和圖5 所示，COMPASS 系統(tǒng)可以根據(jù)填入的主尺度和相關(guān)參數(shù)自動計(jì)算獲得。 部分典型計(jì)算剖面見圖6，不考慮上建對總縱強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

圖4 波浪彎矩沿船長的分布

圖5 波浪剪力沿船長的分布

圖6 典型計(jì)算剖面

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)， 由于船首底部線型急劇收窄，導(dǎo)致船體梁中和軸升高， 船底剖面模數(shù)大幅下降，首部船底板和舷側(cè)外板都存在不同程度的屈曲強(qiáng)度不足，需要采用增加板厚、增設(shè)縱向屈曲加強(qiáng)筋等方式進(jìn)行加強(qiáng)。

表3 外板區(qū)域加強(qiáng)方案

2 有限元直接計(jì)算

建立包含機(jī)艙、電容艙、空艙的中部艙段主船體和駕駛甲板、羅經(jīng)甲板上層建筑模型，如圖7 所示。 甲板、船體外板、內(nèi)舷壁板、內(nèi)底板、橫艙壁、圍壁，以及實(shí)肋板、強(qiáng)橫梁、縱桁、龍骨等構(gòu)件的腹板采用板單元模擬。 對于承受水壓力或貨物壓力的各類板上的扶強(qiáng)材采用梁單元模擬，并考慮偏心的影響。 單元的網(wǎng)格沿船長方向按肋距劃分，沿船寬方向按縱骨間距或肋距劃分，沿型深方向參照肋距或縱骨間距尺寸劃分。 縱桁、肋板上加強(qiáng)筋、肋骨和肘板等主要構(gòu)件的面板和加強(qiáng)筋用桿單元模擬。 計(jì)算工況與表1 所列工況相同。

圖7 有限元計(jì)算模型

中部艙段有限元模型的邊界條件，即在模型兩端面的中和軸與中縱剖面的交點(diǎn)處建立獨(dú)立點(diǎn)，將端面上的節(jié)點(diǎn)與獨(dú)立點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將線位移約束施加在獨(dú)立點(diǎn)上。

載荷有舷外水壓、貨物載荷、端面彎矩等載荷，并進(jìn)行彎矩修正，以消除局部載荷對目標(biāo)區(qū)域彎矩的影響。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果對船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評估， 主要構(gòu)件的最大應(yīng)力值滿足屈服強(qiáng)度衡準(zhǔn)，不需要額外加強(qiáng)； 對縱向構(gòu)件進(jìn)行屈曲強(qiáng)度校核，發(fā)現(xiàn)船底龍骨和局部縱艙壁的屈曲存在問題，加強(qiáng)方案如表4 所示，加強(qiáng)后主船體結(jié)構(gòu)屈曲安全因數(shù)均能達(dá)到λ≥0.8 的規(guī)范要求，如表5 所示。

表4 部分縱向構(gòu)件屈曲加強(qiáng)方案

表5 主船體主要構(gòu)件屈曲校核結(jié)果

上層建筑甲板均采用了縱骨架式，滿足屈曲要求，由于縱向圍壁采用的是橫骨架式，在船中區(qū)域的板格屈曲強(qiáng)度不滿足要求，需要增加水平筋將板格的長邊減小到1 000 mm 左右， 從而提高屈曲強(qiáng)度，如圖8 所示。

圖8 上建縱向圍壁屈曲加強(qiáng)示意圖

3 結(jié) 語

采用超級電容新能源驅(qū)動的長橫對江車客渡船，船型特征不同于普通內(nèi)河渡船，特殊設(shè)置的電容艙內(nèi)無法布置滿足規(guī)范要求的桁架結(jié)構(gòu)，常規(guī)設(shè)計(jì)存在強(qiáng)度風(fēng)險。 通過船體梁和有限元法計(jì)算分析總縱彎曲和屈曲強(qiáng)度，對船體外板、首部船底區(qū)域構(gòu)件、中縱艙壁、船底龍骨和上層建筑縱向圍壁等進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理和安全。 希望上述計(jì)算分析結(jié)果對類似特種船型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的參考借鑒作用。