半、全寬艙段模型的船舶橫向強度比對

陳舟林 王 偉 方海濱

（1.浙江海洋學院 東海科學技術學院 舟山316004；2.浙江海洋學院 船舶與建筑工程學院 舟山316004；3.浙江歐華造船有限公司 舟山316101）

0 引 言

我國造船事業蓬勃發展，目前已成為世界造船大國。散貨船一直是我國主流建造船型，為確保散貨船的安全運輸，船級社都加強了對散貨船強度的校核與檢驗，有限元直接計算法在各船級社已廣泛采用。本文按照中國船級社的相關規定與要求，對半、全艙段模型進行有限元橫向強度計算與對比分析，計算結果為散貨船的強度分析提供了參考。

1 有限元模型的建立

1.1 船型及結構概況

該54 000 dwt散貨船垂線間長195.00 m、型寬33.98 m、型深16.50 m，有5個貨艙，艙長 31.98 m。貨艙區域為單殼、雙底結構，采用CCS A、CCS AH36鋼，肋骨間距820 mm，雙層底高1 780 mm，強框架間距2 460 mm，設有8道底縱桁。

1.2 結構有限元模型

利用MSC.Patran軟件對本船的艙段結構建立有限元，模型見圖1、圖2。船長方向只考慮船中貨艙區的1/2個貨艙+1/2個貨艙，垂向范圍為船體型深。模型中各船體構件采用殼單元或梁單元模擬。模型坐標系采用笛卡爾坐標系，原點位于艙段端面船底中線處，其X軸沿船體縱向指向船艏，Y軸沿船寬方向指向左舷，Z軸沿型深向上。［1-2］

圖1 1/2個貨艙+1/2個貨艙半寬模型有限元（模型1）

圖2 1/2個貨艙+1/2個貨艙全寬模型有限元（模型2）

2 邊界條件

參照文獻［3-6］的相關規定，確定有限元模型的邊界條件。模型1的兩端（簡稱A端和B端）和中縱剖面（CL）均需約束，詳見表1；模型2的兩端（簡稱A端和B端）約束與模型1相同，為使結果具有可比性，中線面上任意一點橫向位移約束，詳見表2。

表1 有限元模型1邊界條件

表2 有限元模型2邊界條件

3 載荷工況

3.1 計算載荷

橫向強度計算時，結構所承受載荷視計算工況而定，包括艙內貨物壓力、壓載水壓力、舷外水壓力和甲板上浪壓力等，不考慮總縱彎矩及端面剪力。［3-4］

3.1.1 艙內貨物產生的壓力計算

式中：ρc為貨物的密度，t/m3；

Cb為方形系數；

90 m≤L＜300 m；

hd為計算點到貨物頂點的垂直距離，m；

kb=sin2α·tan2（45°-0.5δ）＋cos2α，

α為板與水平面之間的夾角，

δ為貨物休止角（谷物為30°）。

3.1.2 舷外水壓力（滿載工況）

舷外水壓力由靜水壓力和波浪水動壓力兩部分組成。

在基線處：Pb=10d＋1.5CwkN/m2

在水線處：Pw=3CwkN/m2

在舷側頂端處：Ps=3P0kN/m2

甲板上的水動壓力：Pd=2.4P0kN/m2（2）

式中：P0為系數，P0=Cw-0.67（D-d）；Cw為波浪系數，

3.2 計算工況

根據船舶裝載計算書，取重一般壓載、重貨均勻滿載和輕貨均勻滿載三種工況進行計算。具體計算工況如表3所示。

表3 貨艙結構有限元分析計算工況

4 計算及分析

4.1 相關參數選取

對于一般壓載工況，壓載水的位置、重量等根據船舶裝載計算書中選定；輕貨滿載工況由貨物密度、載貨量、艙容確定；重貨滿載工況由載貨量、貨艙截面尺寸、貨物密度（3 t/m3）及貨物休止角來確定貨物對船體結構的載荷。

4.2 計算結果

具體計算結果見表 4、表5，以及圖 3～圖6（圖中全模隱去一半顯示）。

表4 模型各主要構件在各工況下的最大合應力MPa單位：

表5 模型變形結果 單位：mm

圖3 半模應力分布云圖

圖4 全模應力分布云圖

圖5 半模變形云圖

4.3 討論與分析

計算結果從應力和形變兩方面分析如下：

圖6 全模變形云圖

（1）相同載荷作用下，半模與全模的最大應力均為147.0 MPa（出現在強框架處），低于CCS許用應力（橫艙壁許用應力為145 MPa，其余構件許用應力均為175 MPa），滿足強度要求；各構件應力情況、模型應力與分布基本一致；應力集中的部位主要在強框架開口處（三角形單元）、底縱桁端部（邊界影響），剔除后應力水平較小。

（2）模型最大變形在9 mm以內，變形量較小，且兩模型的變形及分布規律基本相同；縱向構件變形最大的在艙壁與邊界中部，縱、橫方向的強構件在縱向變形上起到較大的控制作用；橫向結構最大在船中。

（3）中線面上的結構在半模中減半建模，計算結果中線面處的結構應力與變形大小與分布基本一致。

5 結 論

通過對54 000 dwt散貨船半模、全模進行橫向強度對比分析，可以得出在相同橫向載荷的情況下，整體與各個構件所受應力及變形基本一致，所以在船體對稱的情況下可以建半模來進行計算分析，橫向載荷作用下的結構應力與變形較小，規范的衡準值偏大。

［1］陳鐵云，陳伯真.船舶結構力學［M］.上海：上海交通大學出版社，1990.

［2］劉冰山，黃沖.Patran從入門到精通［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.

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

［4］中國船級社.雙舷側散貨船結構強度直接計算指南［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［5］中國船級社.鋼質海船入級與建造規范［R］.2006.

［6］陳亞杰.鋼質船舶建造規范與質量檢測標準實用手冊［M］.北京：中國海洋出版社，2006.