82 000噸散貨船貨艙區結構有限元分析

劉賢賀

（渤海船舶職業學院，遼寧葫蘆島 125000）

0 前言

為了保證國際船級社協會成員的船舶結構規范在安全水平上的一致性，2006年4月1日國際船級社協會（IACS）《散貨船共同結構規范》 （Common Structure Rule,CSR）正式實施。CSR的實施旨在為船東制造出質量更好，結構更加牢靠、安全的船舶。CSR總結了IACS各成員單位的先進經驗和優點，制定出統一的結構規范，使各船級社都遵守該規范，避免了船級社為爭取船舶入級而降低標準的情況發生。同時，新的規范更加靈活，有利于船舶制造業的技術創新。

82 000噸散貨船是一艘低速的肥大型船舶，節能環保。該船航行于無限航區、固定單槳、柴油機驅動、具有一層連續上甲板、S球首、方尾、帶有首樓甲板、半平衡舵。它適用于運載煤、礦石和散裝谷物，不裝載危險貨物及甲板貨物。其設計滿足CSR共同規范及其他最新規范、規則的要求。由于散貨船共同結構規范中規定：當船舶的長度超過150 m時，需要應用三維（3D）有限元（FE）分析對船舶貨艙區域的主要支撐構件進行直接強度評估。因此，本文主要通過有限元法對其貨艙區域的屈服強度、屈曲強度和疲勞強度進行評估，使其在滿足規范要求的前提下，結構更加合理，盡可能的減輕船舶的重量，降低造船成本。

1 計算模型

1.1 船舶總布置

圖1 船舶總布置圖

1.2 船舶主尺度

總 長 …………………………229.00 m

垂線間長 …………………………225.50 m

型 寬 …………………………32.26 m

型 深 …………………………20.25 m

設計吃水 …………………………12.20 m

結構吃水 …………………………14.50 m

方型系數 ……………………………0.878

1.3 模型范圍

按照船舶的裝載工況，應對船舶的風暴壓載艙、輕載貨艙和重載貨艙進行三艙段有限元分析。根據艙室布置情況，第四貨艙為風暴壓載艙，第一、三、五、七貨艙為重載貨艙，第二、六貨艙為輕載貨艙。對于重載貨艙，第五貨艙所處的環境最為惡劣，所以我們選擇第五貨艙進行分析，其他重載貨艙可以用第五貨艙的分析結果來代替。對于輕載貨艙，由于第六貨艙上面為燃油艙，第二貨艙上面為壓載水艙，而且兩艙的結構稍有不同，所以不能用第六貨艙的結果代替第二貨艙的結果，故要對第二和第六貨艙分別進行分析。因此，我們需要對第二、四、五、六貨艙進行有限元分析。本文以第四貨艙為例進行分析。

按照規范的要求，每一個需要進行分析的貨艙，其模型范圍如下：有限元模型除包括要進行分析的貨艙外，還包括其前后相連的貨艙及其橫艙壁、底墩等。模型的兩端應形成垂直的平面，兩端面的強框架也應該包括在模型當中，故在計算時，我們只取中間艙的結果進行分析，可減少邊界條件對結果的影響。考慮到橫向波浪載荷的不對稱性，船舶的兩舷也要在模型中建立出來。船舶的外殼、雙層底內底板、雙層底肋板和縱桁、底邊艙和頂邊艙斜坡板及橫框架、橫艙壁和縱艙壁及垂直桁和水平桁等這些構件上的扶強材也都要在模型中建出來。具體有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

1.4 單元劃分

有限元網格化分時，其尺寸應小于等于縱骨間距或舷側肋骨間距，其邊界應與實際結構的扶強材相近，能夠反映板格的真實形狀。扶強材要以桿單元或梁單元建模，外殼板、內殼板、舷側肋骨、雙層底肋板、縱桁、強框架、橫艙壁等主要支撐構件用殼單元建模，主要支撐構件上的面板以桿單元或梁單元建模。建模時應注意在開孔周圍、或肘板連接處和折角連接處等應力變化比較大的區域以及高應力區域盡量不使用三角單元，單元的長寬比不大于4∶1。

1.5 邊界條件

有限元建模時，在模型兩端的垂直剖面上，位于中心線上中和軸處建立獨立的節點。模型后端的獨立點約束y和z兩個方向上的位移，不約束x方向位移及繞x、y和z軸的旋轉位移。模型前端的獨立點約束x、y和z方向上的位移及繞x軸的旋轉位移，不約束繞y和z軸的旋轉位移。模型兩端的所有縱向構件節點分別與前后兩端的獨立點剛性關聯，約束x、y和z方向上的位移。具體如圖3所示。

圖3 邊界條件

1.6 計算載荷及工況

按照散貨船共同結構規范中的相關規定來確定設計載荷，這些載荷包括靜水和波浪中的船體載荷及不同裝載工況所引起的載荷。其中設計靜水彎矩和設計靜水剪力應根據裝載手冊中給定的值，按照規范中規定的方法修正后得到的包絡線圖中取得。裝載工況應按照規范中強制規定的裝載工況執行。這些船體動載荷及船體梁載荷與裝載工況載荷等合成很多計算工況，將它們在有限元模型中定義出來。通過對這些工況的分析，進行船體屈曲、屈服、疲勞等方面的評估。

2 強度評估

2.1 屈服強度評估

施加上述邊界條件及載荷后，經過有限元分析，得到計算結果。對于平面單元取其中心的Von Mise相當應力為參考應力，線單元（梁或桿）取其軸向應力為參考應力，將參考應力與許用應力對比，進行屈服強度的評估。

如果在有限元模型中，實際結構有開孔的地方沒有建立開孔模型，則對該板格的應力需要進行修正。修正的方法應按照實際板的高度與開孔的高度之比來調整剪切應力的大小，然后換算出Von Mise相當應力值，進行比較評估。

Von Mise相當應力可以按照下式進行計算：

有限元計算結果得到的參考應力大小應不超出235 kN/mm2，其中k為材料系數。

對根據初步詳細設計的結果建立起的有限元模型進行分析，主甲板、內底板、外底板和舷側外板等部位一般都能夠滿足屈服強度的要求，容易出現問題的高應力區域通常在以下幾個部位：

1）在雙層底縱桁靠近底墩的部位應力較大，板較厚，向艙中間逐漸降低，如圖4所示。這是由于靠近艙壁處剪力較大。

2）雙層底肋板的應力在同一肋位處靠近底邊艙的部位應力較大，板較厚，向中間逐漸降低；從縱向看，則靠近船艙中間肋位的肋板應力較高，板較厚，向首尾應力逐漸降低，板厚減小，如圖5所示。這是由于貨艙雙層底在船寬方向剪力在靠近底邊艙處較大，向中間逐漸減小；而在船長方向，彎矩在船艙中間較大。

3）底邊艙中的強框也是靠近雙層底肋板內側的應力較大，此處剪力大，向外逐漸減小；沿船長方向艙中間肋位的強框較厚，向前后艙壁逐漸減小，如圖6所示。

4）底邊艙斜坡板靠近橫艙壁的部位應力較大，此處也是由于靠近艙壁剪力較大引起的，如圖7所示。

這些不滿足應力要求的部位，應通過增加板厚或提高鋼材等級的方法加以解決。

圖4 雙層底縱桁的應力云圖

圖5 雙層底肋板的應力云圖

圖6 底邊艙強框的應力云圖

圖7 底邊艙斜坡板的應力云圖

2.2 屈曲強度評估

在屈曲強度評估中，如果有限元的網格模型與實際結構板格的幾何形狀不同時，應采用將周圍網格的單元應力或位移用外插和（或）內插的方法計算出作用于實際板格上的應力和。同時，考慮到泊松效應，在局部或整體載荷應力求和之后應對運用疊加法或直接法計算所得的應力進行修正。通過適當的線性近似，沿所考慮的屈曲板格邊緣確定應力分布，板的屈曲和極限強度評估安全因子應取1.0。

根據屈曲強度評估的分析，屈曲不易滿足的部位如下：

1）外底板靠近貨艙中部由于彎矩較大易出現屈曲，一般通過增加板厚加強，所以外底板通常靠船艙中間部位較厚，向四周逐漸變薄，其屈曲安全因子如圖8所示。

2）舷側外板靠近橫艙壁處由于剪力較大，屈曲不易滿足，可以采用增加板厚或加強筋的方法加強。

3）底邊艙和頂邊艙的斜坡板由于離中和軸較遠，彎矩較大，易產生屈曲，通常采用增加板厚或加強筋的方法加強。底邊艙斜坡板的屈曲安全因子如圖9所示。

4）靠近底邊艙的雙層底縱桁和雙層底肋板由于剪力大易產生屈曲，通常采用增加板厚或加強筋的方法加強。

圖8 外底板的屈曲安全因子

圖9 底邊艙斜坡板的屈曲安全因子

這些產生屈曲的板格，其根據應力計算出的板格安全因子大于1，不滿足屈曲的要求，需要進行屈曲加強計算，可按照增加板厚或加強筋等方法對板格進行加強，防止屈曲的產生。具體采用的方法要根據空船重量、施工工藝、成本等方面綜合考慮。

2.3 主要支撐構件的撓度

為防止產生過大的變形，需對主要支撐構件的撓度進行分析，所分析的貨艙雙層底與前部（或后部）橫艙壁之間的最大相對撓度不應超過此式的規定值：Smax≤i/150。

其中，Smax為所分析的貨艙雙層底和前部（后部）橫艙壁之間的最大相對撓度，mm；i為貨艙雙層底平坦部分的長度或寬度，mm，二者取小值。

模型的撓度計算結果如圖10所示，經計算，滿足規范要求。

圖10 模型的撓度

3 疲勞強度分析

疲勞評估的區域需要用精細網格進行建模，可采用CCS的建模工具，疲勞評估的熱點應力應由整體艙段模型計算得到。疲勞強度評估的部位應包括：船艙中部舷側肋骨與底邊艙和頂邊艙接合處、船艙中部底邊艙斜坡板與內底板和雙層底肋板接合處、靠近中縱剖面底墩與內底板和雙層底縱桁接合處、靠近中縱剖面底墩與橫艙壁折角點接合處、靠近舷側主甲板艙口縱梁與頂墩接合處。具體的疲勞評估模型如圖11所示。疲勞強度評估按照CSR結構規范的要求，取北大西洋波浪海況，根據有限元計算的應力結果進行疲勞計算分析，疲勞壽命應達到25年。如不滿足要求，一般采用增加板厚的方法解決。

圖11 疲勞評估模型

4 結論

按照CSR的要求，采用有限元法對貨艙區域進行了直接強度計算分析。通過大量的分析，根據計算結果對結構的設計進行處理，確保船舶的設計滿足CSR的要求，達到重量輕、結構合理、降低建造成本的目的。

[1]詹明珠,王新宇.30 000DWT散貨船貨艙段結構強度有限元計算[J].船舶設計通信,2008(2):37-41.

[2]謝東維,張波.82 000DWT散貨船貨艙區結構有限元分析[J].廣船科技,2010(1):14-19.

[3]謝永和,王偉.散貨船橫向強度有限元分析[J].船舶工程,2007(6):33-35.

[4]李兵,袁琪,吳曉源,劉從軍.五萬噸級散貨船壓載水艙強度分析和板格屈曲計算[J].造船技術,2006(1):25-27.