甲板貨船總縱強(qiáng)度校核系統(tǒng)研究

楊義益YANG Yi-yi

（鹽城市交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法支隊(duì)，鹽城 224002）

1 概述

甲板運(yùn)輸船主要是指甲板上運(yùn)輸干、雜、散裝貨物，中部僅設(shè)有小的艙口、人孔，設(shè)有推進(jìn)主機(jī)的自航貨船。該類船具有開敞的載貨甲板、卸貨方便的特點(diǎn)，比較適合于載運(yùn)包裝、干雜、大件及沙石類貨物。該船型具有機(jī)動(dòng)靈活、裝卸貨效率高等特點(diǎn)，但由于這類船型為長深比L/D 和寬深比B/D 較大，尤其是B/D 遠(yuǎn)大于現(xiàn)行“規(guī)范”所適用的尺度比范圍（B/D≤2.5）的扁平結(jié)構(gòu)，往往縱向變形較大，總縱強(qiáng)度必須給予足夠重視。

國內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)船舶總縱強(qiáng)度和撓度計(jì)算做了大量的研究工作，但這些研究均沒有考慮船體縱向變形后由于浮力分布的改變對(duì)其產(chǎn)生的影響。通常計(jì)算總縱強(qiáng)度時(shí)把船體看成是一變斷面的剛性的空心薄壁梁，是不計(jì)及撓度變形的影響。近些年來，隨著綠色能源近海風(fēng)電的發(fā)展，管樁、風(fēng)機(jī)、風(fēng)葉等大件靠甲板貨船運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，甲板貨船的大型化趨勢越來越明顯，其船體梁變形問題應(yīng)予注意。

2 船體梁的撓度計(jì)算

2.1 簡化計(jì)算模型

船體用一維變截面梁模擬，把船體分成n 肋位，肋距s=L/n，第i 肋位剛度為EIi。由于梁的截面大小發(fā)生突變，而站點(diǎn)正好位于變截面處，則變截面抗彎剛度不一樣。令抗彎剛度之比，截面突變處的等效抗彎剛度：。

2.2 船體梁撓度計(jì)算

梁的撓曲線近似微分方程是：

有限差分法是一種數(shù)值解法，就是把求解微分方程的問題改換成為求解代數(shù)方程的問題。將函數(shù)y 在x0處展開為泰勒級(jí)數(shù)：

將相鄰兩點(diǎn)代入上式，由于間距s 充分小，忽略三次冪、更高次冪的各項(xiàng)，得出：

根據(jù)梁的有限差分方程，及邊界條件即可以求出梁每段的撓度變形。對(duì)于船體梁上任意差分點(diǎn)，根據(jù)（5）式，有方程組：

通常在計(jì)算線彈性時(shí)，注意的是剖面相對(duì)于船舶兩端的撓度，故在確定任意常數(shù)時(shí)可假定兩端的撓度等于零。根據(jù)邊界條件，在兩端：v0=vn=0。

將上式消元，則上式方程組變?yōu)槿缦滦问剑?/p>

其中C1、C2、…、Cn-1為高斯消元后的常數(shù)項(xiàng)，其值為：

于是，由方程組解得：

在船體梁總縱彎曲時(shí)，船體剖面還會(huì)因剪力的作用而發(fā)生上下移動(dòng)，產(chǎn)生剪切撓度。由于剪切撓度一般為彎曲撓度的10%左右，所以通常都不專門計(jì)算。本文在彎曲撓度的基礎(chǔ)上加上10%代替剪切撓度。

3 總縱強(qiáng)度校核及系統(tǒng)開發(fā)

3.1 船體總縱強(qiáng)度分析的流程

圖1 總縱強(qiáng)度分析流程圖

3.2 編程建模

NAPA 軟件是用于船舶與海洋工程設(shè)計(jì)的專用軟件，基于NAPA 的總縱強(qiáng)度計(jì)算方法實(shí)踐表明具有高效、快捷、精度高等特點(diǎn)。船模建好之后，只要給出重量分布，就可以得到船體所受浮力、剪力和彎矩。

考慮到船體的縱向變形，利用NAPA BASIC 語言在Text editor 中進(jìn)行編制建模宏程序，通過輸入撓度，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕就可以得出船體變形后的船體模型。船體模型建好之后需要對(duì)船體進(jìn)行分艙，給各個(gè)艙室定義屬性并加載，對(duì)于波浪載荷可直接輸入波浪要素即可。

本文針對(duì)一條88m 甲板貨船進(jìn)行了分析，該系統(tǒng)主要有四個(gè)模塊組成，即參數(shù)輸入、船體建模、撓度計(jì)算、輸出模塊，其中船體建模和撓度計(jì)算模塊為該系統(tǒng)的核心模塊。系統(tǒng)主界面如圖2 所示，主界面中有船長、型寬、吃水等基本參數(shù)。

圖2 系統(tǒng)主界面

3.3 計(jì)算

船體模型生成之后，對(duì)艙室及船體載荷進(jìn)行定義，定義好之后可以計(jì)算船體在該工況下無變形時(shí)的剪力、彎矩，下面已知船體的各剖面特性及各剖面的剛度計(jì)算船體的撓度。

3.4 結(jié)果輸出

該模塊用來輸出船體變形后的剪力、彎矩，進(jìn)而對(duì)甲板貨船總縱強(qiáng)度進(jìn)行校核。

分別對(duì)滿載出港時(shí)中拱和中垂兩種工況船體無變形和變形進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果見表1 和表2。

表1 滿載出港中垂?fàn)顟B(tài)下彎矩、剪力

表2 滿載出港中拱狀態(tài)下彎矩、剪力

3.5 剖面特性計(jì)算

表1、表2 分別為滿載出港中垂?fàn)顟B(tài)和中拱狀態(tài)下船體無變形和變形時(shí)的彎矩剪力對(duì)比圖。不管是否變形重量分布WD 是不變的，而由于船體發(fā)生了變形，浮力分布發(fā)生了變化。結(jié)果分析可知，若考慮船體梁的變形，當(dāng)波峰位于船中時(shí)，船體梁處于中拱狀態(tài)，此時(shí)中部浮力減小，而兩端浮力增大（相對(duì)于不考慮船體變形而言），于是中拱彎曲程度減弱，即彎矩值相應(yīng)減??；反之，當(dāng)船舶處于中垂?fàn)顟B(tài)時(shí)，中部浮力增加，而兩端浮力減小，于是中垂彎曲趨于平緩；即不計(jì)及變形時(shí)算得的總縱強(qiáng)度偏于安全。

由表3 知，該甲板貨船強(qiáng)力甲板處剖面模數(shù)W=10194.01cm2·m，船底剖面模數(shù)W=12869.18cm2·m。根據(jù)規(guī)范總縱彎曲應(yīng)力，船底σ=114.45N/mm2，甲板σ=144.47N/mm2，許用應(yīng)力[σ]=175N/mm2，滿足彎曲強(qiáng)度要求。以船長L/450 作為許用撓度值（該船為19.2），則本船在滿載出港時(shí)中拱狀態(tài)下，船體最大撓度值小于許用撓度值，但接近許用撓度值。

表3 某剖面特性計(jì)算

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

選取某甲板貨船為研究對(duì)象，對(duì)計(jì)及撓度的總縱強(qiáng)度進(jìn)行了分析研究，分別得出了該甲板貨船的撓度和變形前后的彎矩、剪力。①采用有限差分法，利用NAPA Basic 開發(fā)的宏程序來求解船體梁的縱向撓度。計(jì)算結(jié)果表明，船體在中拱狀態(tài)下船體垂向位移最大，小于船體長度的，說明船體變形不大，船體的剛度是有保證的。②通過對(duì)計(jì)算某甲板貨船在滿載工況下?lián)隙扔?jì)算，獲得了在中拱和中垂工況下計(jì)及撓度變形的彎矩和剪力分布，作為判斷總縱強(qiáng)度的依據(jù)。而船體重量分布是不變的，由于船體發(fā)生了變形，浮力分布發(fā)生了變化。結(jié)果分析可知，適當(dāng)?shù)淖冃螌?duì)于船體總縱強(qiáng)度校核是有益的。

4.2 展望

①本文只是建立了可以垂向移動(dòng)的船體的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)主界面中的船長、半寬和吃水等數(shù)值不能改動(dòng)。如何根據(jù)已知一條船的優(yōu)良型值建立一系列船型的船體模型，輸入不同船長、半寬等值可以生成各種船體模型需要進(jìn)一步研究，從而使系統(tǒng)對(duì)某系列船型具有通用性。②本文波浪計(jì)算采用的是坦谷波法，這種方法是一種使研究的工程問題理想化的方法，并不是船舶所處的實(shí)際狀態(tài)。對(duì)于精確地考慮船體變形與波浪之間的相互影響，需要進(jìn)一步地應(yīng)用水彈性的方法去研究。③在船體剖面特性的計(jì)算中，只是根據(jù)Excel 表格手工計(jì)算船體的剛度且沒考慮變形對(duì)剛度的影響，在后續(xù)研究中可以進(jìn)一步通過NAPA STEEL模塊建立結(jié)構(gòu)模型，利用NAPA 直接計(jì)算剖面模數(shù)。