多用途船艙口圍板變形約束有限元校核技術

王培濤，孫啟榮，萬冬冬

(南通中遠川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

多用途船艙口圍板變形約束有限元校核技術

王培濤，孫啟榮，萬冬冬

(南通中遠川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

考慮28 000 DWT多用途船的中間貨艙縱向長度過長，艙口圍板容易發生變形，為控制艙口圍板變形量的大小，在艙口蓋與艙口圍板頂板接觸處設置Semi-fix(有限限制止動系統)來抑制艙口的變形，使艙口圍板的變形量始終保持在艙口動作可接受的正常范圍內。

多用船；貨艙；艙口圍板；艙口蓋；變形

0 引言

28 000 DWT多用途船是集雜貨船、裝箱船、散貨船為一體的一種新型船舶，可以同時裝載雜貨、大件、谷物、礦砂、煤、集裝箱等不同類型的貨物，配備多個克令吊，可自行裝卸貨物。該船有3個貨艙，均為大開口形式，其中2號貨艙艙長較長，開口為51.75 m×23.2 m，在特定載況下貨艙變形比較嚴重。貨艙開口的變形量大小不僅影響自身的結構，同時也影響其他與其接觸或相鄰結構。鑒于結構尺寸的特殊性，可以看出Semi-fix的設計對該船來說是十分重要的，對強度方面的可靠性的要求尤為重要，因此要對Semi-fix處進行受力研討，以滿足船舶設計的要求。

本文通過對船體在幾種嚴重的最可能發生大變形的載況下的橫傾工況進行有限元計算，分析在各載況下Semi-fix處的受力和貨艙的變形量的情況，確定最大的受力，以便能對艙口圍板及艙口蓋的結構加強起到一定的技術依據。

1 有限元模型

1.1 整體布置圖

為了便于對本船特性的了解，可參見圖1的整體布置圖。

圖1 整體布置圖

1.2 船體結構和Semi-fix有限元模型

該船模型為整船模型，艙口蓋不建入模型中，利用NASTRAN中的線性接觸技術，將Semi-fix簡化為彈簧模型。Semi-fix沿船體內側和船體外側的間隙設置為固定值，其原理是利用迭代約束類方法進行計算，直到間隙收斂為止。模型分析分為2種：

(1)船體發生左傾時，在船體模型艙口圍板頂板的4個肋位處分別建立一定剛度系數的彈簧單元，彈簧單元與船體右舷的艙口圍板頂板直接連接。

(2)船體發生右傾時，在船體模型艙口圍板頂板的2個肋位處分別建立一定剛度系數的彈簧單元，彈簧單元與船體右舷的艙口圍板頂板直接連接。船體模型如圖2所示，Semi-fix圖形如圖3所示。

圖2 船體模型

圖3 Semi-fix圖形

1.3 有限元模型的邊界條件

在船體模型尾部的上甲板中心處將X、Y方向的移動約束，在其截面的外板兩舷處加上平衡力；將船體模型部分截面上的頂端的2個在端部的點的Z方向約束，并在它們截面的兩舷的外板上加上平衡力；將船體模型的Fr238的截面上的上甲板中點處的Y方向約束，將截面的上甲板的兩端部的Z方向約束并在截面的外板兩舷處加上平衡力。邊界條件如圖4所示。

圖4 邊界條件

2 載荷選取及其組合工況

2.1 計算工況

根據船體的受力情況，考慮在港和航行的波浪外壓、裝貨量的多少和集裝箱相互疊加產生的載荷，選取了幾種最嚴重的最可能發生大變形的載況對模型進行加載計算。

情況1：載況在船舶滿載吃水的狀態下，1號、3號貨艙裝貨最少，2號貨艙的貨物比較多，2號貨艙雙層底受到貨物的壓力向下變形，繼而引起2號貨艙的雙舷側向內壓縮。船體在波浪中向左30°橫搖，船體2號貨艙雙舷側受到水壓向內壓縮，并且船體向左傾斜，導致集裝箱產生向左載荷。因集裝箱是裝在艙口蓋上的，2號貨艙艙口蓋與船體的右側固定連接，左側是活動的Semi-fix，所以當船體發生左傾時，集裝箱產生的向左的載荷會使2號貨艙兩舷側的艙口向內壓縮。

情況2:在船舶滿載吃水的狀態下，2號貨艙裝貨最少，當受到水壓時，2號貨艙向內變形比較嚴重。船體在波浪中向左30°橫搖，集裝箱載荷會使2號貨艙兩舷側的艙口向內壓縮。

情況3和情況4：在船舶滿載吃水的狀態下，1號、3號貨艙裝貨最少，2號貨艙的貨物比較多，2號貨艙雙層底受到貨物的壓力向下變形，繼而引起2號貨艙的雙舷側向內壓縮，船體在波浪中發生向左(情況3)和向右(情況4)的斜浪，導致集裝箱產生向左(情況3)和向右(情況4)載荷，集裝箱產生的向左(情況3)的載荷會使2號貨艙兩舷側的艙口向內壓縮，集裝箱產生的向右(情況4)的載荷會使2號貨艙兩舷側的艙口向外擴張，情況3和情況4屬于組合情況。

這4種情況是2號貨艙典型的受力載況。計算工況見表1，斜浪的組合見表2。

表1 計算工況

表2 組合載況概要

2.2 集裝箱載荷計算

集裝箱是裝在貨艙的艙蓋上的，船體在海中遇到各種各樣的風浪時，船體會發生前傾、后傾、橫搖等，這里主要考慮船體在左傾和右傾時，集裝箱對艙

口圍板處產生的力。計算集裝箱對船體產生的載荷時需考慮蓋板的自重和蓋板上集裝箱的載荷，具體載荷如圖5所示。集裝箱是直接作用在艙口蓋上的，當船體發生左傾時，集裝箱載荷作用的方向即指向船體左舷的方向；當船體發生右傾時，集裝箱載荷作用的方向即指向船體右舷的方向。

圖5 1號、2號、3號貨艙集裝箱載荷

3 Semi-fix的支反力和艙口蓋的變形

3.1 Semi-fix的支反力

根據有限元計算結果可以得出Semi-fix處的支反力，即彈簧單元的軸力。彈簧單元都是與船體右舷的艙口圍板頂板直接連接，當船體貨艙艙口收縮時，收縮量超過設計間隙的時候，彈簧單元就會受到壓縮，即產生壓縮軸力。當船體貨艙艙口擴張時，擴張量超過設計間隙的時候，彈簧單元就會受到拉伸，即產生拉伸軸力。3.2 艙口蓋的變形

模型中的彈簧單元相當于是2號貨艙艙口蓋的簡化，彈簧單元的拉伸和壓縮也就是艙口蓋在此處的拉伸和壓縮，艙口蓋變形結果在此就不一一列舉，此處給出艙口蓋最大壓縮變形的模型截圖，如圖6所示。

圖6 艙口蓋變形圖(2號貨艙 情況3)

4 結論

本文提出了一種計算線性接觸的方法，利用該方法對Semi-fix的受載情況進行有效的組合并進行有限元計算，得出Semi-fix處的最大受力及最大變形量。根據最大受力及最大變形量為艙口蓋的強度設計提供了可靠的依據，同時也為艙口圍板強度設計和二甲板的設計提供了可靠的依據。Semi-fix處的受力及變形的研討對船舶的性能是很有必要的，可以保證在艙蓋的右側使用固定限制系統時，雙殼變形不會影響艙口蓋的壓緊條、滾輪和軌道的寬度；可以保證在港狀態時，艙蓋向外的移動不會侵占左舷上甲板行走通道的空間，向內的外移動不會使艙蓋無法打開或關閉；可以保證航行狀態時，艙蓋向外的移動不會與左舷吊機干涉或貨艙向外的變形不會使二甲板滑落；可以保證貨艙向內的變形不會導致二甲板艙蓋與雙殼和橫艙壁接觸；可以保證在港狀態時，艙蓋的移動不會影響二甲板艙蓋的順利吊離和吊裝；可以保證艙口蓋移動時不會影響貨艙的密封性。綜上所述，這種線性接觸的方法對船舶及艙口蓋設計有著十分重要的意義。

[1] 羅旭，趙明宇. Femap&NX Nastran基礎及高級應用[M].北京：清華大學出版社，2009.

2013-09-03

王培濤(1990-)，男，助理工程師，主要從事船舶結構設計；孫啟榮(1968-)，男，高級工程師，主要從事船舶結構設計；萬冬冬(1984-)，男，工程師，主要從事有限元分析。

U661.43

A