雙體船型清污船結構強度評估

2013-01-11 08:00:20，，，

船海工程 2013年1期

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(哈爾濱工程大學多體船技術國防重點學科實驗室,哈爾濱 150001)

針對雙體船型清污船的特殊船型特點，運用有限元分析方法，對船體結構強度進行校核，重點分析船體的橫向強度、扭轉強度和總縱強度的要求[1-3]。考察結構在設計載荷工況下的應力和變形情況，從而確認現有結構是否滿足在相應海域運營的強度要求[4-6]。

1 雙體船型清污船有限元模型

該船主尺度見表1。

表1 清污船主尺度

根據結構特點，有限元模型中采用板單元、梁單元等的適當組合，將結構離散為空間板、梁的組合結構。其中，板單元主要用于模擬甲板、底板、圍壁等結構；梁單元主要用于模擬縱骨、橫梁、垂直和水平扶強材及支柱等構件，并考慮偏心的影響。

按結構適時工況的受力變形及對稱性確定邊界條件，根據不同的工況設置邊界支點及約束條件，也可采用慣性釋放方法，結構的有限元模型見圖1。

圖1 清污船有限元模型

2 載荷與工況

2.1 載荷

雙體船結構整體強度評估需要考慮的載荷有重量載荷、靜水載荷、環境載荷。其中環境載荷包括總體橫向彎矩、總體縱向彎矩、中縱剖面垂向剪力、總體不同步縱搖、總體水平轉矩。重力載荷以慣性力的形式施加到結構模型上，靜水載荷和環境載荷則以壓力和節點力的形式施加到結構模型上。

在施加靜水載荷時，所有設計吃水以下的外表面均需施加壓力，其作用效果見圖2。

圖2 靜水載荷施加效果

雙體船在零航速時所承受的橫向波浪載荷通常為最大橫向載荷。總體橫向彎矩是以橫向對開力的形式施加到模型外表面上的，方向為向內和向外兩種情況，向內的效果見圖3，其值為

Fy=±9.81DFTLF△

(1)

式中：DF，T，LF——系數，

DF=3.24-0.55lg △，

T=1.754d/△1/3，

LF=0.75+0.35tanh(1.65ls/△1/3-6.0)。

圖3 總體橫向彎矩效果

總體縱向彎矩是通過將總體縱向中拱彎矩ML(+)和縱向中垂彎矩ML(-)施加到獨立點上，用MPC將其關聯到模型上的，效果見圖4，其值為

ML(+)=MW+MSW

(2)

ML(-)=MW-MSW

(3)

式中：MW——縱向波浪彎矩，kN·m;

MW=0.082(CWP/0.75)2.5ls2.5Bs;

Msw——縱向靜水彎矩，kN·m。

圖4 總體縱向彎矩效果

船體連接橋結構在縱中剖面和與之平行的中剖面處存在垂向剪力Q。該剪力以壓力的形式加載到模型上，其中在縱中剖面和縱艙壁根部縱剖面處分別取值Q1、Q2，兩端之間沿船寬呈梯形分布，效果見圖5。其值為

圖5 中縱剖面垂向剪力效果

(4)

Q2=0.25Fy+1.35(△/4)

(5)

雙體船兩個片體之間的不同步縱搖運動產生的對水平橫向軸的縱搖轉矩Mp，其值取下列兩式計算所得之大者，效果見圖6，其中Mp可用均布線載荷p等效。

Mp1=0.125△acgllh

(6)

Mp2=0. 25△acgb

(7)

式中：acg——船舶重心處垂向加速度；m/s2，根據模型試驗結果或CCS認可的計算方法進行計算，且不應小于0.35 g。

圖6 總體不同步縱搖效果

當雙體船遭受斜浪致使橫向對開力Fy沿船長方向產生不均勻的分布狀況，產生轉矩[5-6]，在浪向角為90°(橫浪)和45°/135°(斜浪)的情況下，Fy沿船長呈梯形和三角形分布，分布力兩端W11和W12的取值分別按公式(8)和(9)計算。

W11=1.12Fy/lsW12=0.88Fy/ls

(8)

W11=1.20Fy/lsW12=0

(9)

2.2 工況

雙體船結構總體分析的載荷計算工況應按上述原則進行組合，對雙體船的橫向強度、扭轉強度、縱向強度以及中縱剖面處的剪切強度進行校核。表2給出了全船總體結構有限元直接計算的橫向強度和扭轉強度的部分設計載荷計算工況。

3 屈服強度結果分析

結構構件的校核標準參照中國船級社《小水線面雙體船指南》(2005)，采用板單元建模的結構構件許用應力為0.85σsw，采用桿、梁單元建模的結構構件許用應力為0.60σsw，許用剪切應力取為0.36σsw。目標雙體船均采用材料屈服極限σsw為235 MPa的普通鋼，應力百分比為應力值/許用應力值。限于篇幅關系，本文給出了橫向強度校核、扭轉強度校核和縱向強度校核中最危險的工況的分析結果。

3.1 橫向強度校核

以浪向角90°時，工況號為1的橫向強度校核工況為例。此工況是橫浪工況當中最為危險的工況，結果見圖7和圖8，各位置局部屈服應力評估見表3。

表2 設計載荷計算工況

注：①表中之值為各載荷分量在同一工況號中的組合分配系數，符號√表示需考慮的工況，符號/表示不考慮的工況；②各載荷除在上述要求中定義的加載方式外，一般情況下應化為等效分布載荷施于模型上。

圖7 LC1全船Van Mises應力云圖

圖8 LC1貨艙端部連接橋Van Mises應力云圖

部位應力種類應力值/MPa應力百分比/%甲板相當應力89.61044.86剪應力-38.17145.12片體底板相當應力49.32324.69剪應力25.46730.10片體內側板相當應力186.61093.42剪應力45.87054.22貨艙底板相當應力167.18983.70剪應力58.48069.13

由表3容易看出整船體應力未超出許用應力，且在連接橋處應力較大，片體內舷側板的應力值已經達到許用應力值的93.42%，因此在橫向強度上應給予足夠重視。