32000DWT散貨船貨艙段結構有限元分析

摘 要：應用DNV的GeniE 和SEASAM軟件對32000DWT散貨船貨艙段進行計算分析，使其滿足散貨船結構共同規范直接強度分析的要求。

關鍵詞：結構共同規范；散貨船；有限元計算

本船所有的居住艙室及駕駛室都布置在船艉，上建共5層。所有容積超過30m3 的油艙都設雙殼。全船設有5個貨艙，均為單殼雙底。貨倉區肋骨間距為800 mm，雙底從機艙后壁延伸到首部防撞艙壁，雙底高度為1600mm。貨艙設計要求裝載散裝和包裝谷物、煤、鐵礦石、鋼卷和其它干貨，危險品裝載則基于本船設備配置能力。壓載艙布置在艏部、艉尖艙和貨艙雙層底。頂部邊艙設左、右各2 個污水艙。雙層底從NO1到NO5 貨艙區域設中間管弄以便管系安裝。本船空船重量約8 500 t，全船鋼材用量約7 700 t，高強度鋼的比例約占55%。經計算，本船總噸位不超過20 000，不需要滿足SOLAS PMA的要求。本船還要求裝運木材，甲板面及艙蓋面需設置眼板和綁扎立柱。

本船第3艙兼做風暴壓載艙，隔艙裝載時，第2和第4艙可作為空艙。CSR散貨船艙段有限元計算要求是算一個重貨艙（即第3艙）和一個輕貨艙（第2艙或者第4艙），其他同類型的艙采用相同的構件尺寸，特殊加強構件和規范要求的加強區域除外[1] [2]，本文僅描述了第3艙的分析結果。

2 有限元模型

貨艙段結構有限元模型是由第2、第3和第4三個貨艙組成，包括FR68～FR175所有船體結構。本有限元計算是根據以下圖紙采用GeniE 和SEASAM軟件建立有限元模型進行計算分析：

（1）基本結構圖

（2）中橫剖面圖

（3）橫艙壁結構圖

（4）外板展開圖

有限元模型坐標系設定如下：

（1）X方向為船長方向，并由船尾指向船首；

（2）Y方向為船寬方向，并由船中指向舷側；

（3）Z方向為垂向方向，并由基線向上。

有限元模型需要滿足以下要求：

（1）網格尺寸應等于或小于所表示的縱骨間距或舷側肋骨間距；

（2）扶強材應用桿單元或梁單元建模；

（3）主要支撐的腹板在高度方向應最少劃分為3個單元。然而，對于底邊艙和頂邊艙里的橫向主要支撐構件，若其高度小于普通縱向腐強材的間距，則沿高度方向分成2個單元是可以接受的；

（4）舷側外板肋骨的腹板和端部肘板用殼單元建模，面板用殼/梁/桿單元建模，腹板在高度上不需要再細劃；

（5）單元的長寬比不超過4：1。

3 邊界條件

計算邊界條件，見表1、表2。

根據表1、表2，模型兩端設置簡支約束，縱向結構的端部節點剛性連接到中和軸上的獨立節點，獨立節點設置固支約束。

4 載荷工況

根據常規的90米及以上船長的散貨船結構規范要求，由于所分析的貨艙段是貨艙和滿壓載艙組合，此加載情況參考規范[1]第四章表3中的直接強度計算分析標準。

5 許用應力

直接強度分析根據規范[1]第三章第2節。

（1） 等效應力

在有限元模型中的應力值不超過235/k N/mm2，其中k為材料系數，見表3。

（2） 屈曲和極限強度安全系數

板材的屈曲和極限強度的安全系數，取為1.0。

6 計算結果

6.1 主要支撐構件屈服強度

屈服強度評估的參考應力，為有限元分析中得到的平面單元中心的Von Mises 的相當應力（即等效應力）。經計算分析，3艙段最高應力值為307.9 MPa（如圖3所示）。

高應力區主要有：

（1）主甲板個別板格的最高應力值為307.9 MPa；

（2）雙層底肋板和桁材個別板格的最高應力值為284.6 MPa；

（3）舷側外板最高應力值為279.3 MPa，高應力區主要在艙室端部；

（4）頂邊艙斜板和垂直板最高應力值為278.4 MPa，高應力區主要在與主甲板連接部位；

（5）縱艙壁最高應力值為237.3 MPa，高應力區主要在與主甲板連接部位；

（6）底邊艙斜板最高應力值為263.5 MPa，高應力區主要在艙室端部。

為控制空船重量，在這些高應力區域，本船都采用高強度鋼以提高材料的屈服極限，使其滿足了規范規定的強度要求。

6.2 主要構件的屈曲使用系數

經計算本船最大的屈服使用系數為0.983，小于屈曲安全因子，滿足規范屈曲強度要求。

7 結 語

本文利用GeniE 和 SEASAM軟件進行有限元計算分析，通過以上分析可以得出本船的強度滿足CSR的要求。

本船的有限元計算結果已經通過DNV的認可，并根據有限元的計算結果進行結構優化，使本船在滿足規范要求的前提下盡可能的減少結構重量；對最小板厚進行了詳細的規定，本船在滿足規范和計算的前提下，盡可能的采用最小板厚以減輕結構重量；對舷側肋骨及其上下肘板的要求有所增加；對雙層底內實肋板和縱桁的抗剪切要求有所增加。CSR09新規范對散貨船的特殊要求：卷鋼裝載增加了線載和加速度的內容，直接導致了結構重量以及高強度鋼比例的增加。按照新規范計算后內底需要25AH36，其中一艙因加速度增加需要26DH36，而母型船同樣的裝載內底只需要23mm普通鋼。

參考文獻

[1] IACS CSR， 國際船級社聯合協會共同規范， 2009

[2] DNV RULES， 2009年1月