1 900 TEU集裝箱船全船結(jié)構(gòu)強度有限元分析

摘" " 要：本文以1900TEU集裝箱船為研究對象，根據(jù)中國船級社的規(guī)范進行全船結(jié)構(gòu)強度有限元計算分析，通過PATRAN軟件建立有限元模型，開展全船屈服強度、屈曲強度和艙口角隅的疲勞分析，計算方法和結(jié)論對大開口集裝箱船結(jié)構(gòu)有限元計算和局部加強具有重要借鑒意義。

關鍵詞：集裝箱船；結(jié)構(gòu)強度；有限元計算

中圖分類號：U661.43 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Finite Element Analysis for Overall Structural Strength

of 1 900 TEU Container Ship

CHENG Zhenxing，" LI Dafei，" SUN Wenli，" SHANG Ping，" CHEN Zhengri

（ Guangzhou Wenchong Shipyard Co.， Ltd.，" "Guangzhou 510725，" China ）

Abstract： This paper takes the 1900TEU container ship as an example. Based on the CCS rules， the finite element analysis is carried out for the overall structural strength. The finite element model is established by way of PATRAN software to conduct the fatigue analysis for the yield strength， buckling strength and hatch corner. The calculation method and conclusion can provide important reference for finite element calculation of large opening container ship structure and local reinforcement.

Key words： container ship;" structural strength;" finite element analysis

1" " "引言

隨著航運業(yè)的快速發(fā)展，集裝箱船因其碼頭裝卸貨效率高、低成本、安全可靠、集裝箱具有標準化、可重復使用等優(yōu)點，在海洋營運中具有著重要地位。為了追求營運利潤要求裝載量不斷變大，集裝箱船的舷側(cè)與外板的設計距離越來越近，造成艙口越來越大，整體船體梁的剛度減小，特別對是抗扭剛度影響很大。規(guī)范要求施加的波浪載荷尤其是斜浪載荷，可能會造成艙口附近結(jié)構(gòu)屈曲應力和變形增大，同時容易在艙口圍的角隅產(chǎn)生應力集中，給船體結(jié)構(gòu)帶來嚴重安全隱患[1]。因此，近些年各大船級社和船東都比較重視中小型支線集裝箱船的安全性。綜合以上因素，本文以一艘支線型集裝箱船為研究對象進行全船有限元計算分析，探討集裝箱船結(jié)構(gòu)的應力分布、屈曲特點和疲勞情況，為后續(xù)船的結(jié)構(gòu)設計提供重要的依據(jù)。

2" " 有限元計算的難點

本文計算的1 900 TEU集裝箱船、無限航區(qū)、單機單槳的常規(guī)支線集裝箱船，入CCS船級社，主要的參數(shù)如表1所示。

2.1" "評估分析關鍵技術

一般支線集裝箱船的尺度滿足規(guī)范要求，不需要全船有限元計算，角隅等結(jié)構(gòu)設計按規(guī)范計算或規(guī)范要求區(qū)域加強即可。但是本船的1 900 TEU支線集裝箱船強力甲板艙口寬度為25 m，大于CCS規(guī)范要求的計算值24.475 m（規(guī)范要求0.898×船寬），應進行全船有限元計算。按照CCS《鋼質(zhì)海船建造規(guī)范（2021）》[2]（以下簡稱“鋼規(guī)”）的相關要求，使用PATRAN軟件對其進行全船有限元計算，分析1 900 TEU集裝箱船的全船結(jié)構(gòu)強度（屈服強度、屈曲強度）和疲勞情況，重點對艙口圍板、艙口角隅等結(jié)構(gòu)的強度和疲勞進行評估。全船有限元評估包括建模和疲勞計算方法兩個關鍵技術。

2.2" "全船建模

本船的平行中體區(qū)域短、線型變化大，為保證計算的準確性，對開孔結(jié)構(gòu)的處理應保證與實際結(jié)構(gòu)相符。艙口角隅需要綜合考慮船體梁總縱彎矩、扭轉(zhuǎn)和橫向載荷，該區(qū)域要求建細網(wǎng)格模型， 而且細網(wǎng)格模型要貼合角隅自由邊光順度，工作量較大；細網(wǎng)格模型的單元質(zhì)量對有限元計算結(jié)果影響較大，此外載荷分布對全船有限元計算影響較大，為了獲得更準確的計算結(jié)果，全船分為20個分段建模，以跟實際的重量分布一致。

2.3" "疲勞計算方法

處于船中的貨艙彎矩較大，同時還受不同角度波浪的彎矩載荷，艙口角隅容易產(chǎn)生應力集中，導致疲勞及產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂紋。波浪載荷計算采用等效設計波方法確定，等效設計波的參數(shù)則根據(jù)譜分析方法確定，此計算方法是當前比較精確的計算方法。

3" " 全船有限元計算分析

3.1" "有限元模型

有限元模型包括全船的主要縱向構(gòu)件和橫向構(gòu)件，主要的結(jié)構(gòu)分為艏部結(jié)構(gòu)、貨艙區(qū)域結(jié)構(gòu)、機艙區(qū)域結(jié)構(gòu)、尾部結(jié)構(gòu)、上建結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)，主要受力結(jié)構(gòu)如甲板結(jié)構(gòu)、主要橫艙壁、內(nèi)殼和縱艙壁結(jié)構(gòu)、橫向肋骨、底部結(jié)構(gòu)、甲板條結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)的開孔和加強結(jié)構(gòu)需精準建模。對于主船體板結(jié)構(gòu)，盡量采用四邊形單元，盡量避免使用影響計算的三角形單元，綜合考慮計算精度和計算量，CCS船級社建議全船采用粗網(wǎng)格模型，要計算的艙口角隅采用細網(wǎng)格模型。全船有限元模型見圖1所示。全船有限元模型的總體坐標系采用鋼規(guī)的設計要求。

3.2" "質(zhì)量模型及重量重心

為進行水動力分析和載荷傳遞，模型要正確反映船在相應載荷下實際的重量和分布。對于空船重量，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的密度來達到與實際空船重量相符。對于油、水和設備的重量，采用附著在對應結(jié)構(gòu)上的質(zhì)量單元來模擬；對于集裝箱的重量，采用在實際箱子位置布置質(zhì)量點，并通過MPC（有限元模型的一種連接方式）連接到船體相應位置來模擬。

通過上述調(diào)整，有限元模型的重量和實際重量基本相符。由于結(jié)構(gòu)重量分布與實際分布存在誤差，模型的重心位置和實際位置（包括x方向和z方向）稍有誤差，誤差值在規(guī)范中雖未有要求，但CCS船級社認為此誤差對結(jié)果影響較小，可以忽略。

3.3" "模型邊界設置

在全船有限元計算過程中，為讓整個模型保持自由度的平衡和去除船體梁的整體位移，需要根據(jù)規(guī)范的要求對幾個節(jié)點的6個自由度進行約束，見圖2所示。

節(jié)點1在Y方向約束；節(jié)點2在XYZ三個方向都進行約束。

尾部的節(jié)點3和節(jié)點4要在Z向進行約束。

3.4" "計算工況及載荷

1）計算工況

根據(jù)鋼規(guī)，不同的靜水載荷和波浪載荷相互疊加形成最終的工況，見表2。需按鋼規(guī)要求進行全船有限元計算，并對照鋼規(guī)要求衡準進行結(jié)果校核。

2）靜水載荷

根據(jù)鋼規(guī)第二篇第7章3.2.1.2要求，靜水工況選擇滿載離港工況，該工況吃水10 m與結(jié)構(gòu)吃水相同。

3）波浪載荷

波浪載荷計算采用等效設計波方法，導入船殼模型水動力模型，并需要對各個浪向和浪頻下的剖面載荷進行計算，繼而計算規(guī)則波響應，即結(jié)構(gòu)的運動和剖面上的力、彎矩、扭矩載荷，進行長期預報及生成等效設計波。根據(jù)鋼規(guī)，采用IACS 規(guī)定的波浪散布圖，通過水動力響應分析，轉(zhuǎn)換為加載船體外板的波浪載荷，包括水平波浪彎矩、波浪扭矩、垂向波浪彎矩、加速度等，最終得到各主載荷對應的等效設計波，見表3所示。

4）波浪載荷轉(zhuǎn)換

根據(jù)已經(jīng)確定的6個等效設計波，通過水動力計算把等效設計波轉(zhuǎn)換為有限元計算需要的加速度和力，如舷外水壓力分布、船舶重心處加速度等，然后讀入到patran中并進行有限元分析，如圖3所示。

5）集裝箱載荷

集裝箱載荷包括艙內(nèi)裝箱載荷和甲板上的裝箱載荷，根據(jù)每個集裝箱的位置和重量在每個集裝箱的重心處建立一個質(zhì)量點，并通過MPC連接到船體相應位置來模擬整個貨物重量，見圖4。

3.5" "屈服、屈曲計算

1）屈服計算分析

屈服計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。規(guī)范屈服許用值為220 MPa，本船的屈服計算結(jié)果全部滿足規(guī)范要求。由計算結(jié)果可得出結(jié)論：應力最大的區(qū)域集中在船中的艙口圍和內(nèi)殼壁頂端，大開口集裝箱船結(jié)構(gòu)設計時需要考慮合理加強。

2）屈曲計算分析

屈曲強度結(jié)果如表5所示，計算衡準為最大屈曲利用因子小于1。除了甲板和舷側(cè)水平桁的幾個板格因為是三角單元受力集中屈曲結(jié)果略大，可以忽略，其余結(jié)構(gòu)屈曲強度均滿足規(guī)范要求。

表5" 屈曲強度結(jié)果匯總

3.6" "基于譜分析的疲勞強度校核

根據(jù)鋼規(guī)，結(jié)構(gòu)的疲勞評估基于Palmgren-Miner累積損傷方法，累積損傷度計算公式如下：

式中：DT為累積損傷度；α為船舶在運營航行的系數(shù)，取0.85；K為S-N圖表的數(shù)值； ND為20 年航行時間內(nèi)船總的加載重現(xiàn)次數(shù)，一般是0.65×108；SD為許用應力數(shù)值區(qū)間，N/mm2；NL為一個周期內(nèi)載荷譜所有的循環(huán)次數(shù)，一般為108。

疲勞計算結(jié)果要滿足結(jié)構(gòu)在設計壽命期間內(nèi)的累積損傷度 的要求：

式中：TD為設計疲勞壽命，取20年。本例計算疲勞計算衡準為小于1。

為保證疲勞分析結(jié)果的準確性，本船疲勞強度校核采用等效設計波法。另外，將艙口角隅區(qū)域區(qū)域的粗網(wǎng)格模型進行細化處理，粗、細網(wǎng)格之間要有合理過渡，保證結(jié)果的準確；細化的角隅有限元模型要保證跟實際結(jié)構(gòu)一致，負角隅按實際開孔，并調(diào)整角隅自由邊和趾端的單元網(wǎng)格保持光順，否則對疲勞結(jié)果有較大影響，計算角隅位置分布見圖5（其中位置1和位置2是艙口圍角隅，位置1和位置2是主甲板角隅）。

細化模型讀取粗模型的邊界條件和載荷以及屈服、屈曲計算結(jié)果進行計算和評估，疲勞評估計算結(jié)果如表6所示，均滿足疲勞的規(guī)范要求。通過表中結(jié)果可以看出在上方艙口圍的角隅的疲勞結(jié)果較大，因為設計時已經(jīng)對此區(qū)域進行過加強，疲勞校核結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4" " 結(jié)論

1）本例的1 900 TEU集裝箱船屈服應力最大區(qū)域在船中的艙口圍以及周圍的內(nèi)殼壁結(jié)構(gòu)上，屈服強度較大易引起屈曲和疲勞問題，經(jīng)過設計時對此區(qū)域結(jié)構(gòu)進行板厚加強，有限元校核結(jié)果均滿足規(guī)范要求。后續(xù)在大開口集裝箱船結(jié)構(gòu)設計時要考慮結(jié)構(gòu)加強。

2）根據(jù)其他船級社規(guī)范，本尺度的支線集裝箱船一般只要求規(guī)范校核和三艙段計算分析，而按照CCS船級社規(guī)范要求進行全船有限元分析對整個船體梁進行校核。本項目的全船有限元分析方法和結(jié)論可以作為常規(guī)中小型支線集裝箱船設計校核參考，特別是對艙口角隅等結(jié)構(gòu)校核的一個補充。

3）集裝箱船的艙口圍受彎矩的影響屈服應力較大，間接造成艙口圍角隅容易產(chǎn)生疲勞問題。在大開口集裝箱船結(jié)構(gòu)設計時不僅要根據(jù)規(guī)范設計角隅的半徑、趾端等，還要進行有限元疲勞分析，對此區(qū)域適當進行結(jié)構(gòu)加強。

參考文獻

[1]昝彬彬．大型集裝箱船的若干強度問題研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011．

[2]鋼質(zhì)海船建造規(guī)范[S]．北京：中國船級社，2021．