有限元法甲板運輸船全船結構強度分析

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(1.武漢理工大學 交通學院，武漢 430063；2.臺州市港航管理局，浙江 臺州 318000 )

甲板運輸船因具有船體結構及設備簡單、施工方便，造價和管理維修費用低、利用率高等優點而深受船東的歡迎。為了降低成本，該類船舶的結構設計一般都采用規范允許的最低強度限度。船舶在營運過程中存在結構破壞的事故隱患，所以分析此種船舶的結構強度非常重要。目前，全船有限元直接計算是分析船舶結構強度直觀而準確的方法之一[1]。

1 船型介紹

此系列船為連續單甲板、單舷、單底鋼質全電焊結構、全船除船底區域采用縱骨架式結構外，其余區域全部為橫骨架式結構，尺度要素見表1。

表1 自航甲板駁尺度要素

2 模型及邊界條件

取全船(忽略上層建筑)范圍內的船體結構構件建立三維有限元模型。取右手直角坐標系，原點O位于Fr 0船底中線處，X軸沿船舶的縱向，向艏為正；Y軸沿船舶的橫向，向左舷為正；Z軸正方向垂直向上。

邊界條件采用慣性釋放的方法[2]。

3 載荷和計算工況

在計算模型中，載荷包括貨物壓力、空船重量、舷外水壓力；計算工況為：滿載出港、滿載到港、壓載出港、壓載到港。

3.1 貨物壓力(包括貨物和壓載水)

貨物載荷以面壓力的形式施加。按照CCS《散貨船結構強度直接計算指南(2003)》，貨艙內的貨物壓力通過下式計算確定。

Pi=10ρc(1+0.35a0/Cb)kbD

得到3艘船的貨物壓力在甲板上的分布函數：

1)96 m船。

(-2.35X2+24.96X+183.7)/1 000;

2)85 m船。

(-2.35X2+24.96X+160.52)/1 000;

3)75 m船。

(-2.97X2+24.96X+150.4)/1 000。

通過場函數的形式施加到相應的甲板區域。

甲板駁船不裝載貨物時需要壓載，壓載水以靜水壓力的形式施加，設計船的型深為D，海水密度取ρ=1.025 t/m3。

壓載水壓力的分布函數為ρ×9.81×10-6×(D-′Z)。

3.2 空船重量(包括船體結構自身的重量、設備舾裝等的重量)

在進行全船結構強度分析時，空船重量也是主要的載荷。要讓計算結果符合實際情況，空船自身重力應該與由舷外水壓力產生總的浮力盡量接近，重心位置與浮心位置也應該盡量接近[3]?？沾亓枯d荷的加載方法為將重量等效為加載在全船所有節點上的集中力。按照空船重量分布曲線，將船體分為幾段，再將每段的重量等效為集中力載荷加載在每個分段的節點上。

3.3 舷外水壓力

使用DNV的SESAM軟件計算波浪載荷，該直接計算方法基于三維線性勢流理論，采用的波浪譜是P-M雙參數譜，它是參照國際船級社協會(IACS)推薦和認可的波浪長期統計資料。

波浪載荷設計計算值取為10-8概率水平(代表設計壽命為20 年)。通過SESAM軟件可以得到各工況下的沿船長分布的彎矩和對應的頻響，而最大彎矩與頻響的比值就是該海域的等效波高。

確定波高后，利用坦谷波計算式得到該工況波浪中拱和波浪中垂狀態下的波面形狀，將波面形狀用Matlab擬合成4次多項式函數曲線。船底基線處的壓力由波面高度決定，波面處的壓力為零，舷外水壓力載荷根據計算工況船舶處于平衡狀態時的波面，將波面曲線處理成場函數的形式施加到模型外板各有限元單元上。

4 計算結果

危險工況的計算結果見表2、3，主要結構單元形心處中面von Mises應力云圖見圖1～3。

計算結果表明，此系列船結構在滿載出港、滿載到港、壓載出港、壓載到港(波浪中拱、中垂)4種工況的設計載荷作用下，各項應力的水平均在《散貨船結構強度直接計算分析指南(2003)》規定的許用應力范圍之內[4]，高應力區域還有一定的裕度，所以本系列船結構的主要構件(板殼結構)的強度滿足設計要求。

表2 滿載出港中垂工況 MPa

圖1 96、85、75 m甲板板單元形心處中面von Mises應力云圖

表3 滿載到港中垂工況 MPa

圖2 96、85、75 m船底板板單元形心處中面von Mises應力云圖

圖3 96、85、75 m船底縱桁板單元形心處中面von Mises應力云圖

5 結論

在滿載出港波浪中垂危險工況下三條船的應力分布呈現以下特點：貨艙區船體中段結構的應力水平較艏艉部結構的應力水平高。其中甲板在船中部貨艙區域應力值較高，逐步向船艏艉兩端減小，但在與艏艉相接處有局部高應力區；甲板沿寬度方向的應力分布非均勻，由應力云圖可以看出，舷側處應力較大，沿船寬方向向船中逐漸減??；船底板應力分布趨勢與甲板相同；機艙的前端壁和后端壁處應力值較高。

甲板、舷側外板、縱艙壁、船底縱桁和甲板縱桁是承受總縱彎曲應力的主要構件，應力水平較高，在設計計算時要給予高度重視。

[1] 羅秋明.超大型礦砂船全船結構強度計算及內部貨物載荷分布研究[D].上海：上海交通大學，2010.

[2] 張少雄，楊永謙.慣性釋放在油船結構強度直接計算中的應用[J].船海工程，2004，(4)：4-6.

[3] 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.

[4] 中國船級社.散貨船結構強度直接計算分析指南[S].北京：人民交通出版社，2003.