崔科科

(常石(上海)船舶設(shè)計(jì)有限公司，上海 200001)

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汽車運(yùn)輸船艉部外底板損傷分析

崔科科

(常石(上海)船舶設(shè)計(jì)有限公司，上海 200001)

針對(duì)某汽車運(yùn)輸船船艉結(jié)構(gòu)處外板局部產(chǎn)生的大變形，選取典型板格使用有限元方法進(jìn)行非線性分析，探究可能產(chǎn)生大變形的載荷；結(jié)合關(guān)于船艉部外底板頻繁出入水的砰擊效應(yīng)，探討導(dǎo)致大變形的原因，為設(shè)計(jì)吃水和艉部船底板距離較小船型的船艉外底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

外底板；塑性變形；非線性；砰擊；損傷

在船舶建造完成以后，實(shí)際運(yùn)營過程中，船體結(jié)構(gòu)損壞事故案例時(shí)有發(fā)生[1]，通常這些變形的產(chǎn)生都是由于超過設(shè)計(jì)載荷的外在荷載作用。對(duì)于船艉螺旋槳上部的外板，當(dāng)實(shí)船產(chǎn)生變形時(shí)常需要大面積換板，耗費(fèi)人力物力[2]，以某汽車運(yùn)輸船為例，分析實(shí)際運(yùn)營的船舶的船艉外板發(fā)生變形的船體損傷情況，通過非線性有限元計(jì)算方法研究分析其導(dǎo)致大變形的原因。

1　分析對(duì)象

1.1對(duì)象范圍

經(jīng)確認(rèn)，運(yùn)營中本船實(shí)際裝貨按照穩(wěn)性要求進(jìn)行[3]，損傷位置出現(xiàn)在水線和舵桿中心線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的外板附近區(qū)域，該船的艉部布置情況如圖1。

圖1　汽車運(yùn)輸船船艉縱剖面

圖2　散貨船船艉縱剖面

汽車運(yùn)輸船載重量相對(duì)較小，本船的船長為175 m，干舷甲板高21.615 m，設(shè)計(jì)吃水為9.6 m。某相當(dāng)船長的散貨船，干舷甲板高18 m，設(shè)計(jì)吃水12 m。

圖2所示某散貨船干舷甲板高20.65 m，而設(shè)計(jì)吃水達(dá)到14.4 m。

2　靜載荷分析

2.1模型范圍及損傷情況

選取船艉區(qū)域的一處板格，其扶強(qiáng)材尺寸為250×90×9/15,板厚為14 mm，板格長3 023 mm，寬2 430 mm，邊界為簡支，分析該結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的塑性變形，計(jì)算基于非線性有限元分析，按圖2進(jìn)行模型尺寸建模。

圖3中“x”號(hào)代表計(jì)測(cè)點(diǎn)，其分別處于所考慮的板格和筋的中心。帶圈數(shù)字表示實(shí)船測(cè)得扶強(qiáng)材的變形值，帶方格數(shù)字代表實(shí)船測(cè)得板格相對(duì)于扶強(qiáng)材的變形值。

2.2載荷工況及結(jié)果分析

分析該結(jié)構(gòu)隨著水壓力產(chǎn)生的變形情況，施加各載荷工況見表1，選取典型板格見圖3，有限元分析模型見圖4。

表1　各載荷工況

圖3　選取計(jì)算板格

圖4　有限元模型

為進(jìn)行損傷分析，基于非線性進(jìn)行，計(jì)算出各載荷工況下加載的最大應(yīng)力，卸載后的殘余應(yīng)力和塑性變形情況，推斷導(dǎo)致實(shí)際船舶損傷變形出現(xiàn)的載荷。

各載荷工況加載作用下計(jì)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)的最大應(yīng)力見表2，對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力隨著載荷的變化趨勢(shì)見圖5；各計(jì)測(cè)點(diǎn)在卸載后各計(jì)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)的殘余應(yīng)力如表3，殘余應(yīng)力隨著載荷的變化趨勢(shì)如圖6；各計(jì)測(cè)點(diǎn)在不同水頭高度載荷加載卸載以后出現(xiàn)的殘余變形如表4，殘余變形隨著載荷的變化趨勢(shì)如圖7。

表2　加載作用下計(jì)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)的最大應(yīng)力　N·mm-2

圖5　最大應(yīng)力隨載荷的變化

卸載水頭/m板格應(yīng)力P1P2P3P4扶強(qiáng)材應(yīng)力S1S2S31000000002000000003079911631404149485440323850789787991621801705595109104114168191185601211251271201811971896513414614014018620219170134153146133190203195

圖6　殘余應(yīng)力隨載荷的變化

卸載水頭/m板格應(yīng)力P1P2P3P4扶強(qiáng)材應(yīng)力S1S2S310000000020000000030000000040466533350122222141620165517292918212722602035342226332765244039253139317027454528354536

圖7　塑性變形隨載荷的變化

根據(jù)塑性變形的計(jì)算結(jié)果(表4)：在水頭高度70 m時(shí)，塑性變形45為mm，本船的實(shí)測(cè)扶強(qiáng)材變形為44 mm，二者結(jié)果最為接近。

3　損傷分析

3.1靜載荷分析結(jié)果的考慮

根據(jù)實(shí)際運(yùn)營情況，本船并未遇到規(guī)范規(guī)定以外的大風(fēng)大浪，所以不太可能出現(xiàn)70 m水頭高度作用的載荷，靜載荷并不一定是造成此處船體外板損傷的原因，這種外板的大變形首先要考慮建造工藝是否妥當(dāng)?shù)纫蛩兀硗庾詈迷诳紤]總縱彎曲，橫向變形，扭轉(zhuǎn)變形等影響下做全船模型分析才可得出較為全面的結(jié)論。

3.2碰擊載荷的考慮

惡劣海況航行時(shí)，由于船體與波浪之間的垂向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，船艏出水再次入水時(shí)會(huì)發(fā)生砰擊[4]，參照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)共同規(guī)范對(duì)于艏部砰擊范圍以及補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算都有明確的范圍[5]，而對(duì)于船艉部的情況并沒有涉及。本例中類似損傷在散貨船上幾無出現(xiàn)，對(duì)比圖1和圖2發(fā)現(xiàn)，汽車運(yùn)輸船由于滿載吃水線離船艉外板的底部較為接近。由于波浪作用等，會(huì)導(dǎo)致此部位的船體外板頻繁出入水面，砰擊載荷應(yīng)該是引起該外板部位損傷的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

對(duì)于砰擊載荷的模擬，可以按照船模試驗(yàn)進(jìn)行[6]，有學(xué)者在中國船舶科學(xué)研究中心開展了人水砰擊模型實(shí)驗(yàn)[7-8],也可采用有限元方法進(jìn)行預(yù)報(bào)，使用二維剛體模型結(jié)果更可靠，三維剛體模型與船模試驗(yàn)的結(jié)論較為相符，兩種模型根據(jù)需要都是可以用來計(jì)算砰擊載荷的[9]。挪威船級(jí)社第三部分，第一章，第七節(jié)E部分給也出了明確的計(jì)算公式。

4　結(jié)束語

考慮到船舶營運(yùn)的安全性，在汽車運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)中，除了對(duì)靜強(qiáng)度進(jìn)行分析，如果滿載水線距離船艉底部的距離小于1 m，某些雖然規(guī)范對(duì)艉部砰擊并無強(qiáng)制要求，還是建議設(shè)計(jì)者通過數(shù)值模擬等方法對(duì)砰擊載荷進(jìn)行分析，然后采用船艏船艉砰擊設(shè)計(jì)的規(guī)范設(shè)計(jì)方法[10]或有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。

[1] 趙耕賢，詹志鵠.船體結(jié)構(gòu)損壞事故案例分析[J].上海造船，2010(3)：63-65.

[2] 吳漪，楊啟，王美飛.船體大面積換板變形分析[J].中國修船，2007(6)：10-12.

[3] 劉海遠(yuǎn).船舶穩(wěn)性對(duì)海損事故的影響[J].天津航海，2007(3):16-17.

[4] IACS. Common Structural Rules [S]. IACS,2015.

[5] 駱寒冰，徐慧，余建星，等.艦船砰擊載荷及結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)研究綜述[J].船舶力學(xué)，2010，14(4):439-450.

[6] 朱顯玲，張遠(yuǎn)雙.某雙體船連接橋抨擊強(qiáng)度的校核[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015(2)：19-21.

[7] 王輝．船舶砰擊載荷及結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)研究[D]．無錫：中國船舶科學(xué)研究中心，2010.

[8] 陳小平．LNG船砰擊載荷及結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)研究[D]．無錫：中國船舶科學(xué)研究中心，2010.

[9] 駱寒冰，吳景健，張智，等.基于顯式有限元技術(shù)的二維、三維楔形剛體入水砰擊數(shù)值模擬研究[C]∥紀(jì)念徐秉漢院士船舶與海洋結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議，中國造船工程學(xué)會(huì)，2011.

[10] DNV,挪威船級(jí)社規(guī)范[S].July.2014.

Damage Analysis of Aft Bottom Shell on PCTC

CUI Ke-ke

(Tsuneishi (Shanghai) Ship Design Co. Ltd., Shanghai 200001, China)

As there is large deformation happened on the bottom shell of PCTC's aft part, the non-linear FE analysis has been carried out to investigate the possible reasons. It is concluded that the large deformation is caused by the slamming effect for the bottom shell frequently jump in and out the water. According to these analysis and consideration, the structure design for aft bottom shell can be improved for the ships with a short distance between design waterline and bottom shell.

bottom shell; plastic deformation; non-linear; slamming; damage

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.007

2015-10-13

2015-11-05

崔科科(1983-)，女，碩士，工程師

U661.42

A

1671-7953(2016)01-0032-04

研究方向:船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

E-mail:katecoca@126.com