27 000 DWT化學品/成品油船結構強度直接計算

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(1.中國船級社，北京 100007;2.武漢理工大學 交通學院,武漢 430063)

27 000 DWT化學品/成品油船是按照《雙殼油船共同結構規范》(common structural rules for double hull oil tankers，CSR)[1]要求設計的油船。采用MSC Patran/Nastran和中國船級社開發的CSR計算軟件CCS-Tools，對27 000 DWT化學品/成品油船貨艙結構進行了屈服強度評估和屈曲強度評估，同時對高應力區域做了細化網格有限元分析。

1 船舶主尺度和主要參數

該船為雙底、雙殼、單甲板油船，縱橫艙壁均為槽形艙壁，不設底凳和頂凳。貨艙區共12個貨艙，一道中縱艙壁。航行中無風暴壓載。

總長176.20 m；垂線間長168.00 m；

型寬27.00 m；型深14.00 m；

設計吃水9.00 m；結構吃水9.20 m。

2 有限元模型

2.1 常規網格模型

艙段分析采用6個完整貨艙的有限元模型，中部貨艙為評估對象。有限元模型的縱向范圍覆蓋6個貨艙和4道橫艙壁。模型兩端為垂直平面，包含端面的強框架。考慮到載荷的不對稱性，有限元模型應包括船體的左舷和右舷及整個型深。建模包括所有的縱向和橫向主要構件:內殼和外板結構、雙層底肋板和縱桁系統、橫向強框架、槽型縱橫艙壁。構件上所有的板材和骨材、包括腹板加強筋，都應模型化。

該船建立了第3、4、5(P&S)共6個艙的模型，見圖1。粗網格評估時有212 929個自由度，39 325個節點，15 323個梁單元，9 984個桿單元，43 491個四邊形單元，1 369個三角單元。

圖1 常規網格模型

CSR規范對于油船采用高級屈曲方法。軸向壓應力和剪應力分布應從有限元分析得到并施加于屈曲模型。

2.2 細化網格模型

《CSR油船規范》指定了必須細化的部位，除這些要求細化的部位外，如果結構的應力集中部位的應力水平超出艙段分析驗收衡準，或者艙段有限元模型不足以反映結構細節的幾何形狀，也應進行細化分析。

細化網格區域的網格尺寸應不大于50 mm×50 mm。細化網格區域的范圍在校核區域的所有方向應不少于10個單元。細化網格區域內的所有板材應以殼單元表示。網格密度的過渡應保持平穩。細化網格區域內單元的長寬比應盡可能保持接近1，應避免網格密度的變化和三角形單元的使用。任何情況下，單元的長寬比應不超過3。細化網格區域內的扶強材應使用板單元建模。細化網格區域外的扶強材可使用梁單元建模。

由于《CSR油船規范》要求細化網格區域內單元的建模厚度應基于凈厚度，即總厚度減去全部腐蝕增量厚度tcorr。細化網格區域外單元的建模厚度應基于艙段有限元分析中使用的總厚度減去一半腐蝕增量0.5tcorr的縮減厚度，所以細化分析時采用把細化網格模型嵌入艙段有限元模型中進行。

對位于中間艙的典型強框架關鍵部位的大肘板趾部和開孔、底邊艙上折角、縱向槽型艙壁與內底和雙層底支撐結構相交處進行細化分析。底邊艙上折角和下折角細化網格模型見圖2。

圖2 底邊艙上折角和下折角細化網格模

3 計算工況

屈服強度評估的標準工況按CSR附錄B選取；屈曲強度評估采用CSR附錄D的高級屈曲方法，其中艙壁槽條的局部屈曲和主要支撐構件開孔處的腹板局部屈曲按CSR第10節的衡準進行評估。

由于評估項目繁多、工況復雜，各船級社紛紛開發自動加載程序。該船計算采用CCS研發中心開發的CCS-Tools工具，對有限元模型進行自動加載。屈服加載時，正確分組、加載完成后，進行第一次計算。計算完成讀入數據后，該程序對模型端部的彎矩、剪力進行修正，修正完成后，重新進行計算，所得結果才能評估各工況下構件的屈服強度；屈曲評估是在屈服計算的基礎上采用高級屈曲的方法進行計算。

4 結果分析

4.1 整體艙段有限元分析

4.1.1 屈服強度

《CSR規范》要求對構件的Von Mises相當應力作評估，提出利用因子的概念。在不同的載荷組合下利用因子不同，且不同結構處的利用因子也不相同。通過計算分析發現，由于本船不設頂凳底凳，與槽型艙壁相交的甲板和內底板部分應力偏大，橫向和縱向槽型艙壁相交處應力偏大。本船屈服強度不夠的結構，采用增加板厚的方法降低其應力水平或提高鋼級增加其應力評估標準，從而滿足規范要求。

計算中充分利用CCS-Tools提供的屈服評估工具，在生成的JTP-Ratio 結果中，可以清晰地看到構件的應力與屈服應力和許用屈服利用因子的比值。比值大于1， 即為不滿足規范要求。

該船不設底凳結構，艙壁及其支撐處構件許用應力減少10%。由于開孔采用等效板厚處理，不滿足粗網格評估衡準的區域將由細化后再做評估。

船體構件的 JTP-Ratio 最大比值見表1，其中艙室邊界結構1(非槽型艙壁構件)最終板厚下最嚴重工況的 JTP-Ratio比值云圖見圖3。

表1 船體構件的 JTP-Ratio 最大比值

圖3 艙室邊界結構1(非槽型艙壁構件)

4.1.2 屈曲強度

《CSR油船規范》屈曲強度評估采用高級屈曲的方法。所考察的板格數量大、工況多，計算耗時長。通過對該船的計算分析，貨艙中部區域板格的屈曲利用因子較大。對屈曲強度不滿足的構件除了增加板厚外，加筋將板格變小也是很有效的方法。為嚴格控制空船重量，需要合理地選擇加厚區域，逐步增加板厚，經計算后確定最終的板厚。CCS開發的CSR油船屈曲評估工具可以同時顯示所有工況中屈曲利用因子最大的工況，便于查看分析。

圖4給出最終板厚下船底板的各個板格在各自最嚴重工況下的屈曲利用因子云圖。

圖4 船底板屈曲評

4.2 詳細應力評估

開孔處的細化分析結果均能滿足衡準要求，圖5給出強框架在載荷組合S+D情況下的最危險工況相當應力云圖，圖6 給出底邊艙框架開孔處的相當應力云圖。

5 結論

通過計算，對不符合規范要求的區域增加板厚或提高鋼級，使該船滿足共同規范。

圖5 強框架最危險工況應力云圖(載荷組合S+D)

圖6 細化區域應力分布云圖(底邊艙隔板)

[1] 中國船級社.雙舷油船結構共同規范[M].北京：人民交通出版社,2009.

[2] 王杰德，楊永謙.船體強度與結構設計[M].北京：國防工業出版社,1995.

[3] 陳鐵云，陳伯真.船舶結構力學[M].上海：上海交通大學出版社,1991.