87000t散貨船結構強度直接計算

鄭欣彬，張匯平

（1. 上海交通大學，上海 200030；2. 滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引 言

散貨船是國際航運市場的主力船型，散貨船運輸占貨物運輸的30%以上[1]。87000t散貨船是在原有系列散貨船基礎上，根據國際航運市場需要而設計開發的，滿足共同結構規范[2]（CSR）要求的Post-Panamax型雙殼散貨船。

1 船型概述

87000t散貨船為單機、單槳、球鼻艏、方艉型的雙殼散貨船，滿足共同結構規范要求，按符合BC-A附加營運特性標志進行設計。全船共有7個貨艙，其中No.1、3、5、7為重貨艙，No.2、4、6為指定空艙組合，No.4貨艙兼作風暴壓載艙。

共同結構規范的實施使得滿足新規范要求的散貨船相比以前用鋼量有了明顯的增加，該船為雙殼散貨船，將進一步增加空船重量，因此要提高該型船的綜合性能和市場競爭力，對結構重量的控制顯得尤為重要。

該船主要參數如下：

總 長： 229.00m

垂線間長： 221.00m

結構船長： 218.25m

型 寬： 36.80m

（5）對外開放程度的提升同樣對產城融合發展水平的提高具有一定的正向作用。對外開放程度的影響系數為1.011，這說明在其他因素保持不變的前提下，當外商直接投資額每上升1個百分點，產城融合發展指數將上升1.011個百分點。這是因為隨著外商直接投資額的不斷上升，大量先進的生產技術、管理經驗被引入，增加了工作崗位，不但促進了產業發展，也助力了城鎮化的推進。

型 深： 19.90m

設計吃水： 12.50m

結構吃水： 14.20m

航 速： 14.50kn

載 貨 量： 87000t

2 共同規范新要求

散貨船共同結構規范新的技術要點包括凈尺寸方法、等效設計波、船體梁極限強度、直接計算分析、疲勞、屈曲等。對于不同的強度計算采用不同的腐蝕余量模型，使得計算更加科學；通過等效設計波確定的船體載荷更為合理；極限強度計算和直接計算使結構強度更加明確，能更好地適應大型及非常規船的設計；疲勞強度要求的增加保證了船舶壽命期的安全性。

3 船體結構設計

在設計的初始階段，把全船重量控制作為主要目標之一，在主船體范圍內全部采用縱骨架式結構，并盡可能向艏艉延伸，合理布置結構構件，在船體梁的上下緣應力較大的區域使用高強度結構鋼材。在艙室布置上，將其中的一個燃油艙布置在No.3和No.7貨艙頂邊艙，并設置了雙殼保護，降低了船體梁彎矩，有利于空船重量的控制。

4 載荷確定

在計算過程中，船體中部區域的中拱及中垂設計靜水彎矩按共同結構規范要求以及在總體的初步裝載手冊的基礎上加 5%的余量選取。采用中國船級社 JBP_SDP[4]設計軟件進行結構規范尺寸的計算。腐蝕余量是根據模型定義的艙室情況，由軟件進行扣除。在建立計算模型時，分別建立了重壓載艙、重貨艙以及輕貨艙模型。構件強度校核時考慮了完整工況、進水工況和試驗工況。規范計算過程中對船體外殼縱骨的疲勞壽命也進行校核。設計過程中采用溢流法壓載水管理計算對結構的影響。

5 船體梁強度計算

船體梁橫剖面主要由對船體梁縱向強度起作用的連續縱向構件組成，在對船體梁進行屈服強度校核、極限強度校核及板材普通扶強材和主要支撐構件強度校核中的船體梁應力計算時，這些構件應采用基于總厚度減去0.5ct（ct：構件總腐蝕增量，mm）后提供的凈尺寸；在板格的屈曲計算時，構件應采用基于總厚度減去ct后提供的凈尺寸。

按照中國船級社規范計算軟件CCS-SDP進行計算確定初步結構尺寸，簡要計算過程如圖1-3所示。

圖1 中剖面特性及構件尺寸計算（重壓載艙）

圖2 橫艙壁構件尺寸計算

在計算船體梁極限強度時，按照共同結構規范的要求考慮了完整狀態、港內狀態和進水狀態3種工況，分別包括中垂和中拱狀態下的情況。

在材料選用方面，上甲板區域縱向構件采用 AH36高強度鋼，其余區域縱向構件采用AH32高強度鋼或普通鋼；槽型橫艙壁采用AH36高強度鋼,其余橫向構件采用AH32高強度鋼或普通鋼。全船高強度鋼比例約為70%。

在初步完成中剖面特性和結構尺寸計算并進行優化后，再分別選擇貨艙區兩端幾個典型剖面進行結構尺寸的計算。初步確定了87000t散貨船貨艙區域基于共同規范的結構尺寸，為下一步的直接強度計算奠定基礎。

圖3 船體梁極限強度計算

6 有限元分析

6.1 有限元模型及邊界條件

由于BC-A散貨船裝載的特殊性，根據共同規范的要求，建立了3個三艙段三維模型，分別用于考察重壓載艙、重貨艙以及輕貨艙。先采用MSC Patran軟件建立基于建造尺寸三艙段有限元模型：扶強材以梁單元和桿單元建模，主要支撐構件的腹板加強筋和面板以桿單元建模，板以殼單元建模，并采用線性四邊形單元和三角形單元；網格尺寸等于縱骨間距和舷側肋骨間距，雙殼主要構件在粗網格階段劃分2個單元，雙底主要構件（縱桁、實肋板）在高度方向劃分為3個單元。

87000t散貨船首制船入英國勞氏船級社，因此將建好的有限元模型導入到英國勞氏船級社的ShipRight SDA計算程序，進行腐蝕尺寸的扣除、艙室定義、載荷施加、計算求解以及相關后處理。

三艙段模型建立后，選取了中間貨艙為重壓載艙的模型進行分析，見圖4。模型兩端按表1和表2要求簡支。端部兩剖面的縱向構件節點與位于中心線上中和軸處的獨立點剛性關聯，見表1。兩端獨立點按表2約束。

表1 兩端的剛性關聯

表2 獨立點的支撐條件

6.2 屈服與屈曲評估

評估范圍僅對中貨艙的構件包括橫艙壁結構。參考應力為有限元分析中得到的平面單元（殼或膜）的中心合成應力（Von Mises相當應力），或線單元（桿或梁）的軸向應力。

三艙段粗網格模型模擬了底部肋板為滿足安全通道要求的600mm×800mm的開孔，其他沒有模擬的開孔寬度超過400mm的孔，如縱桁上的開孔，ShipRight SDA程序通過剪切板架調整剪切應力的辦法進行適當修正，見圖5~12。許用應力：235/K N/mm2，K為材料系數。

圖4 中間艙（CH4）為重壓載艙的有限元模型

圖5 外殼及主甲板應力云圖

圖6 內底、舭部板、內殼及頂邊斜板應力云圖

圖7 主要支撐構件應力云圖

圖8 槽型橫艙壁及上下墩應力云圖

根據散貨船CSR要求，若考察區域內粗網格單元計算的應力超過許用應力的95%，則要予以細化。該船在進行屈服強度計算后的結構加強，控制應力均在許用應力的95%以下，因而省去了對結構詳細應力評估的環節。

屈曲校核要求扣除構件的所有腐蝕余量。屈曲及極限強度的安全因子取 1.0。計算結果顯示：艙段中部的外底板、艙口圍間板格較大的橫向甲板、雙層底中縱桁上的開口區域、具有較大板格的頂邊艙斜板、底邊艙斜板、實肋板的開孔區域、頂邊艙底邊艙強框架等區域屈曲強度不滿足要求。

圖9 船底板屈曲應力云圖

圖10 雙層底肋板屈曲應力云圖

圖11 船底板屈曲加強

圖12 FR141底部肋板屈曲加強

船底板的加強措施是采取直接增加厚度，對舷側、底邊艙斜板、內殼板增加短筋[5]，對頂邊艙斜板、艙口間甲板采取增加厚度與短筋相結合，對底部縱桁以及橫向主要支撐構件也采取增加厚度與短筋相結合，這樣，滿足了屈曲校核的要求，又有效地控制了重量。

6.3 疲勞強度分析

共同結構規范要求船舶最低疲勞設計壽命從全球航行海域 20年延長到北大西洋 25年，所以對疲勞強度的要求大大提高了。疲勞分析采用子模型法按照 10－4的概率水平計算設計載荷，見圖13。

根據英國勞氏船級社（LR）推薦分別建立了底邊艙上下折角，槽型艙壁底墩與內底板，槽型艙壁與底墩以及槽型艙壁與頂墩等多處位置的精細模型。

分別對重壓載艙、重貨艙以及輕貨艙的多處典型位置的疲勞計算，輕貨艙和重貨艙的疲勞壽命基本滿足共同結構規范的要求，重壓載艙的槽型艙壁與垂直下墩板、垂直下墩板與內底的疲勞壽命需要在規范計算尺寸基礎上進行較強的加強措施后方可滿足要求，見圖14。

圖13 疲勞精細網格的子模型

圖14 CH4 底凳及內底板的疲勞計算及加強措施

7 結 語

通過運用共同規范對船體結構進行直接強度計算，對主船體貨艙區結構的屈服、屈曲、疲勞進行全面的分析，雖然結構重量相比以前的規范要求有較大的增加，使造船成本有所上升，但船體結構在各種工況下都能滿足要求，大大提高了船舶在航行中的安全性。

[1] 王運龍，紀卓尚，林 焰. 散貨船現狀及發展趨勢[J]. 船舶工程，2006，28（1）：58-61.

[2] IACS. Common Structural Rules for Bulk Carriers. International Association of Classification Society[M]. January 2006.

[3] IMO. Convention. Access to and within spaces in and forward of the cargo area of oil tankers and bulk carriers[M]. SOLAS Ch.Ⅱ-1.Reg.3-6.

[4] IACS. 共同結構規范軟件-規范計算（散貨船）使用手冊[M]. 中國船級社, 2008.

[5] 韓天宇，陳國建. 共同結構規范下的散貨船結構分析[J]. 上海造船，2010, (3): 13-16.