陳艷春，沈 平

(1.泰州市地方海事局，江蘇 泰州 225300；2.姜堰市地方海事處，江蘇 姜堰 225500)

118 m甲板運輸船橫向強度分析

陳艷春1，沈 平2

(1.泰州市地方海事局，江蘇 泰州 225300；2.姜堰市地方海事處，江蘇 姜堰 225500)

以118 m箱型甲板運輸船為研究對象，參照CCS(中國船級社)規(guī)范對該船貨艙段的構(gòu)件進行橫向強度評估。經(jīng)過建模、加載、計算，得到該甲板貨船貨艙段主要構(gòu)件強度均滿足規(guī)范要求，校核過程對同類型船的橫向強度校核具有一定的借鑒意義。

甲板運輸船；橫向強度；有限元分析

0 引言

甲板運輸船由于其具有建造工藝簡單，便于裝卸施工，投資造價和營運成本低、收益率高等優(yōu)點而深受地方中小型船廠和船東們的青睞。在該類船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中往往采用規(guī)范允許的最低強度要求，以達到降低成本的目的。因此，船舶在營運過程中存在結(jié)構(gòu)破壞的事故隱患，分析此類船舶的結(jié)構(gòu)強度顯得尤為重要[1]。

長期以來，關(guān)于船舶橫向強度的研究較少，很大程度上是因為存在這樣一種觀點：橫向強度的破壞只會造成某些小的損傷，不會危及到船舶的整體安全[2]。但是在實際航運中，由于船體局部損傷最終導(dǎo)致整個船體毀壞的事例越來越多。因此，為了保證其船體結(jié)構(gòu)在正常使用過程和一定的使用年限中具有不破壞或不發(fā)生過大變形的能力，有必要進行船體橫向強度校核[3]。

對于B(型寬)/D(型深)≥3的箱型駁船，參照CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2012)附錄“箱型駁船橫向強度校核方法” 第2篇第9章第7節(jié)相關(guān)要求取用強度標準，按照設(shè)計圖紙，使用MSC.PATRAN有限元軟件對該船貨艙段主要構(gòu)件建立有限元模型，并用計算軟件對其進行橫向強度分析和探討。

1 實船概要

本船為鋼質(zhì)單舷、單底結(jié)構(gòu)。全船共有170個肋位，肋距為600 mm；3道縱艙壁，間距為5.5 m。甲板、船底、舷側(cè)和縱艙壁上縱向連續(xù)構(gòu)件有縱骨與縱桁，橫向強框架由強橫梁、強肋骨、實肋板組成。船體內(nèi)部設(shè)有大量柱子和撐桿做支撐。118 m甲板運輸船總布置圖、橫剖面圖、基本結(jié)構(gòu)圖分別如圖1～圖3所示。

圖1 118 m甲板運輸船總布置圖

本船總長118.0 m，水線長101.25 m，設(shè)計吃水4.80 m，型寬23.0 m，型深6.60 m，肋距0.60 m，航區(qū)近海。

本船選用材料為碳素鋼：彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85 t/m3。

2 有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)模型

參照《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2012)第2篇第9章第7節(jié)第4條規(guī)定，采用三維有限元模型，模型范圍選取的原則通常為：以甲板的主要構(gòu)件及其支持結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件作為主要的分析對象，模型范圍至少應(yīng)包括：垂向為基線與艙壁甲板之間的中點處至艙壁甲板以上的各層甲板及其支持結(jié)構(gòu)，橫向取整個船寬，縱向在船中處至少取5檔強框架長度或1個設(shè)計車長，取大者。

圖2 118 m甲板運輸船橫剖面圖

圖3 118 m甲板運輸船基本結(jié)構(gòu)圖

本文中的建模范圍為Fr 81至Fr 105，橫向取整個船寬，垂向取整個型深。模型采用板單元和梁單元建立，甲板、船體外板、縱橫艙壁、甲板縱桁、船底龍骨、強橫梁、強肋骨、實肋板等采用板單元模擬，甲板縱骨、舷側(cè)縱骨、縱橫艙壁加強材等均采用梁單元模擬。

坐標系統(tǒng)采用右手直角坐標系，原點位于Fr 81船體中心線處，X軸向船首為正方向，Y軸向左舷為正方向，Z軸向上為正方向。

艙段有限元模型共使用了34 438個單元，節(jié)點數(shù)共計23 486個。結(jié)構(gòu)艙段有限元模型如圖4、圖5所示。

圖4 結(jié)構(gòu)艙段有限元模型

2.2 邊界條件

為盡量減少約束邊界條件對橫向強度計算結(jié)果的影響，邊界條件宜施加在艙壁甲板以下足夠遠的距離處。對于模型的前后端，垂直于端面方向的線位移為0，即υx=0；繞端面內(nèi)兩坐標軸的角位移為0，即ωy=ωz=0。邊界條件示意圖如圖6所示。

圖5 結(jié)構(gòu)艙段有限元模型(隱去甲板)

圖6 邊界條件示意圖

2.3 計算工況及載荷

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2012)附錄“箱型駁船橫向強度校核方法” 及設(shè)計任務(wù)要求，計算載荷僅考慮甲板載荷及舷外水壓力的作用。

考慮4種工況，詳見表1。

表1 計算工況

2.3.1 甲板載荷

按設(shè)計任務(wù)要求，本船標準設(shè)計負荷相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：

①5 t鏟車，整車重量17.5 t；

②雷諾 Kerax重卡288 kW自卸車(標準版)，最大總質(zhì)量為47 t。

按《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2012)第9.7.2.2條的規(guī)定,車輛甲板結(jié)構(gòu)強度直接計算時，假定船舶橫傾至最大橫搖角，甲板設(shè)計載荷按下列各式計算：

PV=(gcosΦm+0.5aV)M

PT=(gsinΦm+0.5aT)M

式中：PV為車輛甲板垂向載荷,kN;PT為車輛甲板橫向載荷，kN；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；Φm為最大橫搖角，Φm≥0.35 rad；aV為垂向合成加速度，m/s2；aT為橫向合成加速度，m/s2；M為計入的車輛重量，t。

2.3.2 舷外水壓力

船舶在運營過程中，船體要承受來自各個方向波浪的作用，船體的縱向結(jié)構(gòu)在規(guī)范計算中已計入波浪載荷對其作用，而波浪對船體橫向結(jié)構(gòu)的作用則需要深入研究，在本文中忽略端面彎矩對結(jié)構(gòu)的影響。

舷外水壓力由靜水壓力和波浪水動壓力兩部分組成：

基線處：PB=10d±1.5C

水線處：PW=±3C

舷側(cè)頂端：PS=3PO

式中：PO=C-0.67(D-d)，kPa；C為系數(shù);d為船舶吃水，m。

為考慮橫向波浪作用沿船長局部范圍內(nèi)產(chǎn)生的效果，在計算工況中采用施加于兩舷的不對稱舷外水壓力來模擬。其中一舷側(cè)受到靜水壓力和波浪動壓力的疊加作用，另一舷側(cè)受到靜水壓力和反向動波浪壓力的疊加作用，但計算值小于0時取0計入。載荷作用分布情況如圖7所示。

圖7 艙段波浪載荷分布

3 許用應(yīng)力

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2012)第2篇第9章第7節(jié)第5條規(guī)定中許用應(yīng)力要求，板梁組合模型的許用應(yīng)力為：

許用剪切應(yīng)力[τ]=94 MPa

許用相當應(yīng)力

式中：σx為平面應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)任一點X坐標方向的正應(yīng)力，MPa；σy為平面應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)任一點Y坐標方向的正應(yīng)力，MPa；τxy為平面應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)任一點X坐標方向的剪切應(yīng)力，MPa。

4 結(jié)果分析

4.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果

有限元的結(jié)構(gòu)評估取值范圍應(yīng)基于模型當中的一個橫向框架。本文選取Fr 90為評估橫向框架，4種工況下最大相當應(yīng)力為70.8 MPa，最大剪切應(yīng)力為36.5 MPa，滿足規(guī)范許用應(yīng)力要求。艙段整體應(yīng)力及變形云圖如圖8、圖9所示，橫向結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力云圖如圖10、圖11所示。

圖8 艙段整體相當應(yīng)力云圖(LC1)

圖9 艙段整體變形云圖(LC1)

圖10 橫向結(jié)構(gòu)的相當應(yīng)力云圖(LC1)

圖11 橫向結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力云圖(LC1)

4.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果分析

①縱、橫艙壁板受端部約束及甲板、船體外板結(jié)構(gòu)約束受力較大，中部受力較??；

②汽車裝載位置附近的甲板、甲板縱桁及橫向框架，變形及應(yīng)力較大；

③應(yīng)力在強結(jié)構(gòu)上明顯集中，并向弱結(jié)構(gòu)擴散，因此強結(jié)構(gòu)是承受船體主應(yīng)力的單元。

5 結(jié)語

由于目前愈來愈廣泛地應(yīng)用甲板運輸船，該船的設(shè)計要求已經(jīng)不能僅僅局限于船舶設(shè)計規(guī)范，對甲板運輸船進行強度分析校核變得非常重要。在本文的橫向強度分析中，船舶主要承受應(yīng)力的構(gòu)件有甲板、舷側(cè)、縱艙壁、船底縱桁和甲板縱桁，這些構(gòu)件的相交處附近應(yīng)力水平較高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時應(yīng)給予高度重視。

[1] 楊躍富,王靖,金義會，等.有限元法甲板運輸船全船結(jié)構(gòu)強度分析[J].船海工程,2012,41(5):68-70,73.

[2] 洪志濤,肖桃云.甲板運輸船艏部艙段有限元強度分析[J].船海工程,2011,40(6):83-86,91.

[3] 謝永和,王偉.散貨船橫向強度有限元分析[J].船舶工程,2007,29(6):33-35.

[4] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范(2012)[M].北京：北京人民交通出版社,2012.

2013-10-22

陳艷春(1984-)，男，助理工程師，從事船舶檢驗工作；沈平(1982-)，男，助理工程師，從事船舶檢驗工作。

U661.43

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