118 m甲板運(yùn)輸船橫向強(qiáng)度分析

陳艷春，沈 平

(1.泰州市地方海事局，江蘇 泰州 225300；2.姜堰市地方海事處，江蘇 姜堰 225500)

118 m甲板運(yùn)輸船橫向強(qiáng)度分析

陳艷春1，沈 平2

(1.泰州市地方海事局，江蘇 泰州 225300；2.姜堰市地方海事處，江蘇 姜堰 225500)

以118 m箱型甲板運(yùn)輸船為研究對(duì)象，參照CCS(中國(guó)船級(jí)社)規(guī)范對(duì)該船貨艙段的構(gòu)件進(jìn)行橫向強(qiáng)度評(píng)估。經(jīng)過(guò)建模、加載、計(jì)算，得到該甲板貨船貨艙段主要構(gòu)件強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，校核過(guò)程對(duì)同類型船的橫向強(qiáng)度校核具有一定的借鑒意義。

甲板運(yùn)輸船；橫向強(qiáng)度；有限元分析

0 引言

甲板運(yùn)輸船由于其具有建造工藝簡(jiǎn)單，便于裝卸施工，投資造價(jià)和營(yíng)運(yùn)成本低、收益率高等優(yōu)點(diǎn)而深受地方中小型船廠和船東們的青睞。在該類船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中往往采用規(guī)范允許的最低強(qiáng)度要求，以達(dá)到降低成本的目的。因此，船舶在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中存在結(jié)構(gòu)破壞的事故隱患，分析此類船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度顯得尤為重要[1]。

長(zhǎng)期以來(lái)，關(guān)于船舶橫向強(qiáng)度的研究較少，很大程度上是因?yàn)榇嬖谶@樣一種觀點(diǎn)：橫向強(qiáng)度的破壞只會(huì)造成某些小的損傷，不會(huì)危及到船舶的整體安全[2]。但是在實(shí)際航運(yùn)中，由于船體局部損傷最終導(dǎo)致整個(gè)船體毀壞的事例越來(lái)越多。因此，為了保證其船體結(jié)構(gòu)在正常使用過(guò)程和一定的使用年限中具有不破壞或不發(fā)生過(guò)大變形的能力，有必要進(jìn)行船體橫向強(qiáng)度校核[3]。

對(duì)于B(型寬)/D(型深)≥3的箱型駁船，參照CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2012)附錄“箱型駁船橫向強(qiáng)度校核方法” 第2篇第9章第7節(jié)相關(guān)要求取用強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，按照設(shè)計(jì)圖紙，使用MSC.PATRAN有限元軟件對(duì)該船貨艙段主要構(gòu)件建立有限元模型，并用計(jì)算軟件對(duì)其進(jìn)行橫向強(qiáng)度分析和探討。

1 實(shí)船概要

本船為鋼質(zhì)單舷、單底結(jié)構(gòu)。全船共有170個(gè)肋位，肋距為600 mm；3道縱艙壁，間距為5.5 m。甲板、船底、舷側(cè)和縱艙壁上縱向連續(xù)構(gòu)件有縱骨與縱桁，橫向強(qiáng)框架由強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨、實(shí)肋板組成。船體內(nèi)部設(shè)有大量柱子和撐桿做支撐。118 m甲板運(yùn)輸船總布置圖、橫剖面圖、基本結(jié)構(gòu)圖分別如圖1～圖3所示。

圖1 118 m甲板運(yùn)輸船總布置圖

本船總長(zhǎng)118.0 m，水線長(zhǎng)101.25 m，設(shè)計(jì)吃水4.80 m，型寬23.0 m，型深6.60 m，肋距0.60 m，航區(qū)近海。

本船選用材料為碳素鋼：彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85 t/m3。

2 有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)模型

參照《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2012)第2篇第9章第7節(jié)第4條規(guī)定，采用三維有限元模型，模型范圍選取的原則通常為：以甲板的主要構(gòu)件及其支持結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件作為主要的分析對(duì)象，模型范圍至少應(yīng)包括：垂向?yàn)榛€與艙壁甲板之間的中點(diǎn)處至艙壁甲板以上的各層甲板及其支持結(jié)構(gòu)，橫向取整個(gè)船寬，縱向在船中處至少取5檔強(qiáng)框架長(zhǎng)度或1個(gè)設(shè)計(jì)車長(zhǎng)，取大者。

圖2 118 m甲板運(yùn)輸船橫剖面圖

圖3 118 m甲板運(yùn)輸船基本結(jié)構(gòu)圖

本文中的建模范圍為Fr 81至Fr 105，橫向取整個(gè)船寬，垂向取整個(gè)型深。模型采用板單元和梁?jiǎn)卧ⅲ装濉⒋w外板、縱橫艙壁、甲板縱桁、船底龍骨、強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨、實(shí)肋板等采用板單元模擬，甲板縱骨、舷側(cè)縱骨、縱橫艙壁加強(qiáng)材等均采用梁?jiǎn)卧M。

坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于Fr 81船體中心線處，X軸向船首為正方向，Y軸向左舷為正方向，Z軸向上為正方向。

艙段有限元模型共使用了34 438個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)23 486個(gè)。結(jié)構(gòu)艙段有限元模型如圖4、圖5所示。

圖4 結(jié)構(gòu)艙段有限元模型

2.2 邊界條件

為盡量減少約束邊界條件對(duì)橫向強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的影響，邊界條件宜施加在艙壁甲板以下足夠遠(yuǎn)的距離處。對(duì)于模型的前后端，垂直于端面方向的線位移為0，即υx=0；繞端面內(nèi)兩坐標(biāo)軸的角位移為0，即ωy=ωz=0。邊界條件示意圖如圖6所示。

圖5 結(jié)構(gòu)艙段有限元模型(隱去甲板)

圖6 邊界條件示意圖

2.3 計(jì)算工況及載荷

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2012)附錄“箱型駁船橫向強(qiáng)度校核方法” 及設(shè)計(jì)任務(wù)要求，計(jì)算載荷僅考慮甲板載荷及舷外水壓力的作用。

考慮4種工況，詳見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算工況

2.3.1 甲板載荷

按設(shè)計(jì)任務(wù)要求，本船標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)負(fù)荷相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：

①5 t鏟車，整車重量17.5 t；

②雷諾 Kerax重卡288 kW自卸車(標(biāo)準(zhǔn)版)，最大總質(zhì)量為47 t。

按《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2012)第9.7.2.2條的規(guī)定,車輛甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算時(shí)，假定船舶橫傾至最大橫搖角，甲板設(shè)計(jì)載荷按下列各式計(jì)算：

PV=(gcosΦm+0.5aV)M

PT=(gsinΦm+0.5aT)M

式中：PV為車輛甲板垂向載荷,kN;PT為車輛甲板橫向載荷，kN；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；Φm為最大橫搖角，Φm≥0.35 rad；aV為垂向合成加速度，m/s2；aT為橫向合成加速度，m/s2；M為計(jì)入的車輛重量，t。

2.3.2 舷外水壓力

船舶在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，船體要承受來(lái)自各個(gè)方向波浪的作用，船體的縱向結(jié)構(gòu)在規(guī)范計(jì)算中已計(jì)入波浪載荷對(duì)其作用，而波浪對(duì)船體橫向結(jié)構(gòu)的作用則需要深入研究，在本文中忽略端面彎矩對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

舷外水壓力由靜水壓力和波浪水動(dòng)壓力兩部分組成：

基線處：PB=10d±1.5C

水線處：PW=±3C

舷側(cè)頂端：PS=3PO

式中：PO=C-0.67(D-d)，kPa；C為系數(shù);d為船舶吃水，m。

為考慮橫向波浪作用沿船長(zhǎng)局部范圍內(nèi)產(chǎn)生的效果，在計(jì)算工況中采用施加于兩舷的不對(duì)稱舷外水壓力來(lái)模擬。其中一舷側(cè)受到靜水壓力和波浪動(dòng)壓力的疊加作用，另一舷側(cè)受到靜水壓力和反向動(dòng)波浪壓力的疊加作用，但計(jì)算值小于0時(shí)取0計(jì)入。載荷作用分布情況如圖7所示。

圖7 艙段波浪載荷分布

3 許用應(yīng)力

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2012)第2篇第9章第7節(jié)第5條規(guī)定中許用應(yīng)力要求，板梁組合模型的許用應(yīng)力為：

許用剪切應(yīng)力[τ]=94 MPa

許用相當(dāng)應(yīng)力

式中：σx為平面應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)任一點(diǎn)X坐標(biāo)方向的正應(yīng)力，MPa；σy為平面應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)任一點(diǎn)Y坐標(biāo)方向的正應(yīng)力，MPa；τxy為平面應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)任一點(diǎn)X坐標(biāo)方向的剪切應(yīng)力，MPa。

4 結(jié)果分析

4.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果

有限元的結(jié)構(gòu)評(píng)估取值范圍應(yīng)基于模型當(dāng)中的一個(gè)橫向框架。本文選取Fr 90為評(píng)估橫向框架，4種工況下最大相當(dāng)應(yīng)力為70.8 MPa，最大剪切應(yīng)力為36.5 MPa，滿足規(guī)范許用應(yīng)力要求。艙段整體應(yīng)力及變形云圖如圖8、圖9所示，橫向結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力云圖如圖10、圖11所示。

圖8 艙段整體相當(dāng)應(yīng)力云圖(LC1)

圖9 艙段整體變形云圖(LC1)

圖10 橫向結(jié)構(gòu)的相當(dāng)應(yīng)力云圖(LC1)

圖11 橫向結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力云圖(LC1)

4.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果分析

①縱、橫艙壁板受端部約束及甲板、船體外板結(jié)構(gòu)約束受力較大，中部受力較小；

②汽車裝載位置附近的甲板、甲板縱桁及橫向框架，變形及應(yīng)力較大；

③應(yīng)力在強(qiáng)結(jié)構(gòu)上明顯集中，并向弱結(jié)構(gòu)擴(kuò)散，因此強(qiáng)結(jié)構(gòu)是承受船體主應(yīng)力的單元。

5 結(jié)語(yǔ)

由于目前愈來(lái)愈廣泛地應(yīng)用甲板運(yùn)輸船，該船的設(shè)計(jì)要求已經(jīng)不能僅僅局限于船舶設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)甲板運(yùn)輸船進(jìn)行強(qiáng)度分析校核變得非常重要。在本文的橫向強(qiáng)度分析中，船舶主要承受應(yīng)力的構(gòu)件有甲板、舷側(cè)、縱艙壁、船底縱桁和甲板縱桁，這些構(gòu)件的相交處附近應(yīng)力水平較高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)給予高度重視。

[1] 楊躍富,王靖,金義會(huì)，等.有限元法甲板運(yùn)輸船全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].船海工程,2012,41(5):68-70,73.

[2] 洪志濤,肖桃云.甲板運(yùn)輸船艏部艙段有限元強(qiáng)度分析[J].船海工程,2011,40(6):83-86,91.

[3] 謝永和,王偉.散貨船橫向強(qiáng)度有限元分析[J].船舶工程,2007,29(6):33-35.

[4] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范(2012)[M].北京：北京人民交通出版社,2012.

2013-10-22

陳艷春(1984-)，男，助理工程師，從事船舶檢驗(yàn)工作；沈平(1982-)，男，助理工程師，從事船舶檢驗(yàn)工作。

U661.43

A