800PCC內河商品汽車運輸船總縱強度計算研究

劉玉智

(上海佳豪船舶工程設計股份有限公司， 上海 201612)

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800PCC內河商品汽車運輸船總縱強度計算研究

劉玉智

(上海佳豪船舶工程設計股份有限公司， 上海 201612)

摘要以一艘800PCC內河商品汽車運輸船為例，分別通過規范計算和有限元分析兩種方法，詳細介紹了內河船總縱強度計算時應注意的問題。

關鍵詞總縱強度聯合剖面模數有限元結構分析屈服分析屈曲分析

Research on Longitudinal Strength Calculation for 800PCC River Car Carrier

LIU Yu-zhi

(Shanghai Bestway Marine Engineering Design Co., Ltd., Shanghai 201612, China)

AbstractBased on a 800PCC river car carrier as an example, through two methods of RULES calculation and finite element analysis respectively, this article introduces in detail the problems that should be paid attention to the global longitudinal strength.

Keywords Longitudinal strengthUnite section modulusFinite element structural analysisYield analysisBucking analysis

0引言

近年來，隨著內河運輸的成熟發展和汽車貿易的蓬勃，內河商品汽車運輸船的需求不斷增加。

內河船結構設計的主要依據是《鋼質內河船舶建造規范》(以下簡稱《內規》)，內河規范與海船規范是完全兩套不同的體系，隨著近幾年內河船舶的大型化，內規也不斷地調整與修改，因此在設計過程中，要對內規充分理解，靈活運用，才能使結構設計更為合理，減輕重量。在整個船體結構設計過程中，總縱強度的校核是關鍵的一步，因為首先我們要保證整個船體梁在水中強度是足夠的，安全的，然后再去考慮船體各個部分的局部強度才有意義。

本文以800PCC內河商品汽車運輸船為例，分別通過規范計算和有限元分析兩種方法，詳細介紹內河船總縱強度計算時應注意的問題。

1船舶概況

本船型的主要參數如下。

總長： 110 m；

垂線間長： 103.8 m；

型寬： 18.8 m；

型深： 5.2 m；

結構吃水： 3 m；

方型系數： 0.627；

船級符號： ★ CSAD 滾裝貨船，A、B、C級航區；

J2 級急流航段,★ CSMD BRC；

典型橫剖面圖如圖1所示。

圖1　典型橫剖面圖

2總縱強度規范計算

規范要求船舯最小剖面模數W0=aK1K2L2B=1.37×104cm2·m。

式中：K1,K2為修正系數，K1=(1 053+32.8L-0.138L2)×10-3, K2=1。

本船主甲板即強力甲板，只計算主船體本身的剖面特性的話，主甲板的剖面模數W=0.995×104cm2·m,對水平中和軸的慣性矩I=2.95×104cm2·m2,無法滿足最小剖面模數及剖面慣性矩的要求。通常遇到這種情況，我們采取的方法是加大主甲板處的構件尺寸，但是對于此船，由于慣性矩要求差距太大，采取這種方法將使主甲板處的構件尺寸與整個主船體很不協調，且船體重量將增加很多。

針對這種情況，由于本船是汽車滾裝船，主甲板上面幾層甲板也都是全船貫通的，首先考慮將主甲板上面一層甲板作為強力甲板，但對于本船，此種方案是行不通的，原因有兩點：(1) 內河規范要求強力甲板與干舷甲板之間的艙壁與干舷甲板下橫艙壁在同一平面內，本船干舷甲板上面裝載車子，船東要求全通，不允許有任何艙壁的存在。(2) 干舷甲板與最近上層甲板之間的舷側設置有兩個車可通行的舷門和一個車可通行的跳板門，這樣，舷側開孔縱向長度大于船長的10%。基于這兩點，主甲板上層甲板作為強力甲板是不可行的。

根據內規要求，當強力甲板以上設有有效長度大于0.4 L的一層或一層以上的連續鋼質上層建筑時(或甲板室)，最下一層上層建筑(或甲板室)的甲板及其縱向連續構件參與總縱彎曲，可根據規范計算強力甲板邊線和平板龍骨處的聯合剖面模數[1]。但當最下一層上層建筑(或甲板室)側壁上的開口縱向長度大于側壁長度的20%時，則上層建筑(或甲板室)不計入總縱強度剖面模數計算。因此為了將主甲板上面一層上層建筑考慮進去，就要保證主甲板上面一層上層建筑側壁上的開口縱向長度不大于側壁長度的20%，在此基礎上計算強力甲板邊線和平板龍骨處的聯合剖面模數及聯合慣性矩。

圖2　帶上建的典型橫剖面圖

這里特別需要注意的是在計算聯合剖面模數及聯合慣性矩時坐標系的選取問題。在《鋼質內河船舶建造規范》里，看不出坐標系的選取有何特別之處，計算聯合剖面模數及聯合慣性矩時坐標系的選取是有特殊規定的，以主甲板與船中線交點為坐標原點，Z軸向下，如圖2所示。按照這樣的坐標系計算，計算結果如表1所示。

表1　聯合剖面模數及慣性矩計算

從表中可以看出甲板聯合剖面模數及聯合剖面慣性矩分別為W=1.83×104cm2·m, I=4.72×104cm2·m2,而主船體本身最小剖面模數及剖面慣性矩分別為W=0.995×104cm2·m,I=2.95×104cm2·m2, 剖面特性顯著增加。船體梁船舯最小剖面模數及剖面慣性矩要求分別為：W=1.37×104cm2·m,I=4.22×104cm2·m2,充分滿足了規范要求。

3總縱強度有限元計算

根據中國船級社《鋼質內河船舶建造規范》要求，當船舶主體縱向結構在中部0.6L范圍內突變且船長≥80 m時，應按照第14章的規定校核船體總縱強度及結構突變區域的強度。對該船進行有限元總縱強度計算分析，并對船底板、內底板、舷側外板、縱艙壁、雙層底縱桁等縱向主要構件進行屈曲強度校核。

3.1模型范圍

根據《內規》要求，計算時一般應采用強力甲板及以下部分的艙段模型或者整船模型，考慮到上層建筑重量及其甲板車輛載荷施加，本次計算模型包含強力甲板以上上層建筑；根據《內規》要求，其中當突變剖面或載荷集中區域位于船體中部時，取以突變剖面或載荷集中區域端界向艏艉端各延伸至鄰近的橫艙壁且不少于3倍型深的艙段作為有限元分析模型。本次計算模型縱向范圍為：FR20~FR118；橫向范圍取全寬；高度方向取自基線至G甲板。有限元模型如圖3所示。

圖3　總縱強度有限元模型屬性示意圖

3.2邊界條件

對于中部艙段有限元模型，在兩端面中和軸與中縱剖面交點處各建立一個獨立點N1、N2，端面上的各節點與獨立點進行剛性關聯。在獨立點N1、N2上分別施加線位移約束：u1x= u1y= u1z=0和u2y=u2z=0；在獨立點N1、N2上施加角位移θ1x=θ2x=0[1]。

3.3計算工況

根據內規要求，加載模型，模擬工況。

3.4屈服校核

船中處總縱強度計算結果如表2和表3所示，應力云圖如圖4和圖5所示。計算結果很理想，基本不需改變原規范計算的尺寸規格。

表2　碼頭裝載工況計算結果匯總表(LC7~LC9)

表3　航行工況計算結果匯總表(LC1~LC6_2)

注：網格小于標準網格大小，結果為相應區域平均值。

圖4　航行工況A甲板、B甲板、C甲板、外板、縱艙壁、船底縱桁應力云圖

圖5　航行工況橫艙壁、雙層底實肋板應力云圖

3.5屈服校核

根據《內規》第1篇第14章第4節要求，采用有限元方法計算總縱強度時，需校核船體梁的強力甲板、船底板、內底板、舷側外板、縱艙壁和雙層底縱桁等縱向主要構件的屈曲強度[1]。

各種計算工況的有限元計算結果，在強力甲板或船底板船長方向最大中面壓應力區域處，選取由兩縱骨(或橫梁)和兩強橫梁(或縱桁)所圍的板格，或兩實肋板(或底肋骨)和兩縱骨(或縱桁)所圍板格進行板的屈曲強度計算。計算由中國船級社板格屈曲分析插件完成。

根據裝載手冊，本船沒有中垂，只有中拱，因此中和軸以下的板格承受壓應力較大，容易產生屈曲。實際計算中發現，船底板的屈曲有很大問題，很難滿足，如果通過增加板厚來滿足，板厚增加較多，不經濟。采用在強肋板之間增加橫向屈曲筋(見圖6)，可以在增加很少鋼料的情況下滿足規范要求。還有內殼板的屈曲計算也不滿足，內殼板最下列板加厚，緊臨最下列板的板格增加屈曲筋，具體如圖7所示，修改后的內殼板屈曲計算滿足規范要求。

圖6　船底板加屈曲筋

圖7　內殼板加板厚及屈曲筋

屈曲計算結果如表4所示，屈曲計算云圖如圖8、圖9所示。

表4　屈曲計算結果匯總表

圖8　船底板屈曲云圖　　　　　　　　[下轉第42頁]

中圖分類號U662

文獻標志碼A

作者簡介：劉玉智(1983-)，男，工程師，研究方向為船舶結構設計。