82 000 DWT系列散貨船結構強度直接分析

韋文杰 朱功泉

摘 要：依照《散貨船共同結構規范》（2009），基于三維有限元（FE）分析進行主要支撐結構的直接強度評估，校核82 000 DWT系列散貨船的屈服強度和屈曲強度。分析和總結該系列散貨船的結構特征和設計要點。

關鍵詞：共同結構規范；直接強度分析；屈服；屈曲

中圖分類號：U663.83 文獻標識碼：A

散貨船共同結構規范（以下簡稱CSR規范）是IACS自成立以來第一次系統制定的單一類型船舶規范，隨著CSR規范的不斷發展與完善，基于CSR規范設計的散貨船逐漸成為現階段船舶市場的主流船型。

82 000 DWT散貨船是目前國內最熱門的巴拿馬型散貨船之一。該系列船結構形式為：單甲板、雙層底、單殼、上下邊艙；船底甲板及上下邊艙結構采用縱骨架式；底邊艙的強框架設置間距為3檔肋距，頂邊艙強框架設置間距為6檔肋距；橫艙壁采用帶有上下支凳的槽型結構；貨艙區域共分隔為7個艙，隔艙裝載工況下第1、3、5、7貨艙為裝貨艙，第2、4、6貨艙為空艙，其中第4貨艙可兼作重壓載艙，以在遭遇大風浪時改善船舶穩性。

該船型的主要參數如下：

總長 ～229 m ； 型寬 32.26 m ； 型深20.2 m ； 結構吃水 14.5 m ；

航速 14～14.5 kn ； 載重量 ～82 000 DWT。

為保證船舶結構的安全，依據CSR規范要求，除需對船體結構進行規范校核外，還需對全船貨艙區域進行直接強度分析，包括貨艙艙段（重貨艙、輕貨艙、重壓載艙）屈服強度校核；屈曲強度校核及細部疲勞校核。受篇幅所限，本文僅對屈服強度及屈曲強度進行校核。

1 計算模型

有限元建模及計算采用通用有限元計算程序PATRAN/NASTRAN，后期分析采用CCS自主開發的JBP_DSA程序。有限元模型的縱向范圍覆蓋三個貨艙和四個橫艙壁；模型端部的橫艙壁連同各自壁凳包括在模型中；模型的兩端形成垂直平面，任何位于端面位置的強框架都包括在模型中；有限元模型包括船舶的兩舷，以考慮橫向波浪載荷的不對稱性；所有主要構件都在有限元模型中建模，包括內殼和外殼、雙層底肋板和桁材系統、橫框架和垂直桁材、水平縱桁以及橫艙壁和縱艙壁，這些構件上的所有板和扶強材均建模。

受篇幅所限，本文僅分析第四艙（重壓載艙）艙室結構的屈服與屈曲：建立三、四、五艙共三艙段的結構有限元模型；選取三、四、五艙段的主要結構，包括橫向和縱向的主體結構、主要支撐構件和一些輔助支撐構件，采用SHELL、BEAM等單元建立結構的有限元模型，結構剖面不規則處采用適當方式進行簡化。所建模型如圖1所示。

圖1 計算模型

2 邊界條件及工況選取

2.1 邊界條件

根據CSR規范的要求，邊界條件采用直接法：模型兩端簡支，端部兩剖面的縱向構件節點應與位于中心線上中和軸處的獨立點剛性相關。

2.2 工況選取

本報告校核的第4貨艙為重壓載艙，依據CSR規范的要求，并結合標題船的裝載手冊，有限元直接強度分析所適用的標準裝載工況共22種，主要為：

滿載均勻重貨（貨物密度取為3 t/m3）；滿載均勻輕貨（貨物密度取為實際密度或者1.0 t/m3，取小者）；非滿載不均勻裝載（重貨、輕貨）；重壓載（第四貨艙兼重壓載艙壓載）；多港（輕貨）及隔艙裝載（重貨）。

剪力分析工況主要為：隔艙裝載（重貨，本工況為第31號工況，主要校核目標貨艙后艙壁處剪力）；重壓載（本工況為第44號工況，主要校核目標貨艙前艙壁處剪力）。

2.3 許用應力標準

本船采用普通碳素鋼和部分高強度鋼，其材料換算系數K分別為1.0、0.72。根據CSR規范第7章第2節《分析衡準》中許用應力的規定，考查應力為有限元分析中得到的平面單元（殼或膜）中心的Von Mise相當應力。普通碳素鋼許用應力[σ] = 235 N/mm2；AH36號高強度鋼許用應力[σ] = 326 N/mm2。

3 計算結果

3.1 屈服因子結果匯總

采用JBP_DSA軟件對結構進行屈服強度分析。其中，屈服因子=結構最大相當應力/許用相當應力，屈服因子小于1表示結構滿足屈服強度要求。計算結果如表1所示。

表1 各主要結構最大屈服因子結果匯總

3.2 屈服因子云圖

采用CCS.Tools軟件對結構進行屈服強度分析，在未對結構屬性及結構形式做任何修改的情況下，存在大范圍不滿足屈服條件的結構主要有以下幾種：

（1）雙層底縱桁

由圖2可知最大屈服因子為1.17，深色所示為屈服強度不滿足要求的區域，主要位于底凳附近，工況為重壓載工況和隔艙裝載工況。

修改方法：增大板厚。調整后屈服評估云圖見圖3所示，結構全部滿足屈服強度要求。

圖2 雙層底縱桁（修改前）

圖3 雙層底縱桁（修改后）

（2）艙口間甲板縱桁

由圖4可知最大屈服因子為1.55，深色所示為屈服強度不滿足要求的區域，主要位于頂凳附近，工況為重壓載工況和隔艙裝載工況。

修改方法：增大板厚。調整后屈服評估云圖見圖5所示，結構全部滿足屈服強度要求。

圖4 艙口間甲板縱桁（修改前）

圖5 艙口間甲板縱桁（修改后）

（3）頂邊艙垂向列板

由圖6可知最大屈服因子為1.17，深色所示為屈服強度不滿足要求的區域，主要位于艙壁附近，工況為重壓載工況和隔艙裝載工況。

修改方法：增大板厚。調整后屈服評估云圖見圖7所示，結構全部滿足屈服強度要求。

圖6 頂邊艙垂向列板（修改前）

圖7 頂邊艙垂向列板（修改后）

3.3 屈曲因子結果匯總

采用JBP_DSA軟件對結構進行屈曲強度分析，屈曲因子小于1表示結構滿足屈曲強度要求。計算結果如表2所示。

3.4 屈曲因子云圖

采用CCS.Tools軟件對結構進行屈曲強度分析，在未對結構屬性做任何改變的情況下，不滿足屈曲條件的結構主要有以下幾種：

（1）甲板

由圖8可知最大屈曲因子為1.17，深色所示為屈曲強度不滿足要求的區域，主要位于艙口間甲板頂凳附近，工況為滿載工況。

修改方法：增大板厚。調整后屈曲評估云圖見圖9所示，結構全部滿足屈曲強度要求。

圖8 甲板（修改前）

圖9 甲板（修改后）

（2）舷側外板

由圖10可知最大屈曲因子為1.17，深色所示為屈曲強度不滿足要求的區域，工況為剪力修正工況（第44號工況），考查區域為前艙壁處結構。而由圖中可見，超出屈曲要求的區域位于后艙壁處，超出考查區域，故實際結構滿足屈曲要求，結構不需修改。

圖10 舷側外板

（3）艙口端橫梁

由圖11可知最大屈曲因子為1.17，深色所示為屈曲強度不滿足要求的區域。由圖中可見，艙口端橫梁都不滿足要求，工況為滿載工況、重壓載工況、多港工況和隔艙裝載工況。（修改方法：增大板厚及修改結構，在不滿足屈曲要求板格中部增加端部削斜的屈曲筋），調整后屈曲評估云圖見圖12所示。由圖所示，結構全部滿足屈曲強度要求。

圖11 艙口端橫梁（修改前）

圖12 艙口端橫梁（修改后）

4 結果分析及總結

通過以上計算可以發現，對于重壓載艙而言，應注意以下結構要點：

（1）對BC-A型船舶貨艙兼做重壓載艙而言，危險工況主要為滿載隔艙工況及深/重壓載工況；高應力區域集中在艙壁附近、頂凳附近、底凳附近及貨艙艙口角隅，上述區域處頂邊艙垂向列板、底邊艙斜板、貨艙區域舷側外板及艙口間甲板均需特別注意。

建議上述區域在艙壁附近應適當增加板厚，同時可以采用下列修改結構形式的方法：雙層底內部艙壁附近增加短縱桁；頂邊艙垂向列板延伸至頂凳的橫隔板應采用與垂向列板相同材料且等厚；頂邊艙垂向列板與頂邊艙斜板連接處，焊接位置不建議位于折角處，建議折角處彎壓成型；底凳斜坡板應采用弧形肘板過度至邊艙，且與舷側外板相接；內底板應在每檔強框架處，前后設置過度弧形肘板；艙口圍邊板過度至艙口間甲板的結構應至少橫跨2檔以上肋位，且應采用高鋼級材料；貨艙兼重壓載艙槽壁縱向長度，相對其他貨艙而言應適當增大，頂凳及底凳結構尺寸也應適當增大；對重壓載艙而言，前艙壁及后艙壁處底凳板建議均設置為斜板；艙口角隅處不應出現硬點，艙口角隅弧形肘板結構不應過強，其上不建議焊接卸貨板；

（2）屈曲較嚴重區域主要集中于艙口端橫梁、艙壁處舷側外板等處。特別對艙口端橫梁而言，如增加板厚不足以起到解決屈曲超標的問題時，可以采用如下修改結構形式：加大艙口端梁過度到頂邊艙斜板處的肘板；增大艙口端梁腹板高度；艙口端梁加設水平筋或垂直筋等；

（3）為使應力良好傳遞，不出現應力集中等情況，還應注意：舷側肋骨趾端結構應以CSR規范推薦為宜；底凳頂板應與艙壁全焊透；艙口圍板趾端應做到良好過度；為保證吸口流量而需對結構修改時，建議適當增大流水孔尺寸，而不建議增多流水孔數量。

參考文獻

[1]國際船級社協會.散貨船共同結構規范[S].北京：人民交通出版社.2009.

[2]王運龍，紀卓尚.散貨船現狀及其發展趨勢.船舶工程.[J].2006（1）.

[3]任淑霞，徐旭敏.淺談滿足散貨船共同規范的結構設計特點.船舶設計

通訊[J].2007（2）.