集散兩用貨船艉部甲板局部強(qiáng)度有限元分析

湯在義，杜　斌

(揚(yáng)州市地方海事局,江蘇 揚(yáng)州 225009)

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集散兩用貨船艉部甲板局部強(qiáng)度有限元分析

湯在義，杜斌

(揚(yáng)州市地方海事局,江蘇 揚(yáng)州 225009)

摘要：集裝箱船艉部艙段強(qiáng)度校核是船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核中的重要組成部分，船舶發(fā)動(dòng)機(jī)等重要裝置都分布在艉艙段內(nèi)。在航行過程中集裝箱會(huì)垂向震蕩，極端情況下會(huì)影響艉部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能力并使其結(jié)構(gòu)失效，進(jìn)而對(duì)船舶造成毀滅性破壞。運(yùn)用有限元軟件Patran對(duì)78.2 m集散兩用貨船艉部艙段部分進(jìn)行建模研究，考慮2種集裝箱裝載工況：裝載重箱以及裝載空箱，根據(jù)規(guī)范要求施加了相關(guān)邊界條件，并根據(jù)規(guī)范許用應(yīng)力要求對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，最終計(jì)算出來的結(jié)果表明本船艉部艙段結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度能夠滿足中國船級(jí)社的規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：集裝箱船；貨船；艉部；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；有限元分析

0引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)全球化的不斷發(fā)展，國家之間的貿(mào)易往來也越來越頻繁，集裝箱船因其低廉的運(yùn)輸價(jià)格、高效的運(yùn)輸方式以及安全可靠性成為目前運(yùn)輸業(yè)的首選運(yùn)輸工具。近年來集裝箱船快速發(fā)展并趨于成熟，為了滿足新時(shí)代的新要求，現(xiàn)在集裝箱船正朝著集約化、大型化、信息化的趨勢發(fā)展，對(duì)于集裝箱船的設(shè)計(jì)來說，這是一次新的挑戰(zhàn)。

由于集散兩用貨船一般采用大量的高強(qiáng)度鋼并且航速較快，在船體艙口處容易產(chǎn)生較大的變形，因此，需要重點(diǎn)考慮船體的總縱強(qiáng)度以及疲勞問題。在設(shè)計(jì)之初必須對(duì)船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，使船舶設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。集裝箱船艉部作為船舶最重要的部分，因船舶動(dòng)力裝置及其他眾多重要設(shè)施都匯聚于此，因此必須充分保證其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及安全性。在有限元軟件應(yīng)用之前，船舶設(shè)計(jì)人員憑借自身經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。現(xiàn)在，隨著大型有限元分析軟件逐漸趨于成熟與完善，使得結(jié)構(gòu)優(yōu)化更趨于科學(xué)化。 本文運(yùn)用有限元軟件Patran對(duì)78.2 m集散兩用貨船艉部艙段部分進(jìn)行建模研究，參照規(guī)范要求研究了2種工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況。

1主要尺度及其他參數(shù)

78 m集散兩用貨船主要尺度：總長78.20 m，垂線間長75.20 m，型寬15.80 m，型深5.80 m，設(shè)計(jì)吃水4.90 m，裝箱量272 TEU。

本船是按吃水4.90 m設(shè)計(jì)的鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)船舶并且船體結(jié)構(gòu)符合中國船級(jí)社的要求。船體結(jié)構(gòu)：艏部、艉部舷側(cè)部分、機(jī)艙舷側(cè)均采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，貨艙舷側(cè)、貨艙雙層底區(qū)域、機(jī)艙甲板均采用縱骨架式結(jié)構(gòu)；全船肋距為600 mm，中內(nèi)龍骨及甲板縱桁間距為1 575 mm或1 600 mm，縱骨間距為525 mm，抗扭箱縱骨間距為550、500 mm。結(jié)構(gòu)布置：本船的貨艙區(qū)域采用雙層底結(jié)構(gòu)布置，其高度900 mm，雙舷側(cè)、雙甲板、邊甲板的寬度均為1 600 mm，艏、艉2部分均為單層底、單舷側(cè)，機(jī)艙為單層底雙舷側(cè)，貨艙布置間距為1 800 mm的強(qiáng)肋骨，艏艉及機(jī)艙舷側(cè)為強(qiáng)弱交替結(jié)構(gòu)形式，貨艙區(qū)域舷側(cè)采用主肋骨結(jié)構(gòu)形式。

如圖1為集裝箱裝載模式三維動(dòng)畫模型圖。

圖1　集裝箱裝載三維動(dòng)畫模型圖

2有限元模型

2.1結(jié)構(gòu)模型

有限元模型的范圍：縱向的范圍從艉封板到Fr23肋位，寬度方向上的模型范圍為整個(gè)型寬，高度方向上的模型范圍是從距基線1 900 mm處到甲板板。其中，甲板、艙壁以及集裝箱底腳墊角等平板板材結(jié)構(gòu)采用2維shell單元模擬單元模擬，甲板上的縱桁及橫梁等使用2維shell單元來模擬，面板用1維bar單元模擬；其他小的支柱及骨材等用1維bar單元模擬。有限元模型的材料參數(shù)：本船艉部艙段結(jié)構(gòu)采用普通235鋼，其彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比v=0.3。坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)系，船艉指向船首方向?yàn)閄正方向，Y正方向從左舷指向右舷，垂直向上為Z的正方向。模型長度以及力學(xué)單位為m和N。艉部艙段模型見圖2、圖3。

圖2　艉部模型

圖3　艉部模型(仰視)

2.2邊界條件

邊界條件：在艉部艙段的四周限制其移動(dòng)，在艉部艙段的底部限制其移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)。其邊界條件如圖4所示。

圖4　艉部模型邊界條件

2.3計(jì)算工況及載荷

2.3.1計(jì)算工況

根據(jù)集裝箱裝載布置圖的說明及實(shí)際裝載狀態(tài)，本船需考慮表1中的2種工況。表中，空箱重量2.5 t，重箱重量14 t。

表1　計(jì)算工況

2.3.2計(jì)算載荷

根據(jù)集裝箱裝載布置的要求，應(yīng)計(jì)算艉部艙段集裝箱箱角處的集中應(yīng)力，但在實(shí)際裝載過程中集裝箱的力不是均勻分布在整個(gè)集裝箱底部，而是均勻分布于集裝箱4個(gè)角與艉部甲板接觸的箱腳上。根據(jù)中國船級(jí)社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范修改通報(bào)》(2015)第14章“結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算補(bǔ)充規(guī)定”中第7節(jié)“局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算”的規(guī)定，可以計(jì)算出2種工況下集裝箱箱角處的集中應(yīng)力。

F1=1 000g(W1+W2)/4

F2=4×1 000gW1/4

式中：F1為工況1集裝箱箱角處集中應(yīng)力，MPa；F2為工況2集裝箱箱角處集中應(yīng)力，MPa；g為重力加速度，m/s2；W1為重箱重量，t；W2為空箱重量，t。

2.3.3載荷加載方式

將各工況下的集裝箱載荷加到對(duì)應(yīng)的集裝箱底腳墊角處，施加載荷后的模型如圖5～圖6所示。

圖5　工況1艉部甲板箱角集中應(yīng)力示意圖

圖6　工況2艉部甲板箱角集中應(yīng)力示意圖

3結(jié)果分析

艉部艙段結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力見表2，艉部艙段最大形變見表3。

表中，工況1與工況2板系最大合成應(yīng)力出現(xiàn)在甲板板上的集裝箱墊腳處，梁系最大組合應(yīng)力出現(xiàn)在甲板縱桁腹板處。工況1與工況2最大變形出現(xiàn)在甲板板上的集裝箱墊腳處。

表2　船艉艙段結(jié)構(gòu)應(yīng)力

表3　船艉艙段最大變形匯總

艉部艙段模型結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖以及形變圖如圖7～圖10所示。

圖7　工況1合成應(yīng)力云圖

4結(jié)論

(1)78.2 m集散兩用貨船艉部結(jié)構(gòu)在上述2種不同工作載荷下的強(qiáng)度滿足規(guī)范強(qiáng)度衡準(zhǔn)，艉部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)符合規(guī)范的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，該船艉部艙段局部結(jié)構(gòu)的最大工作應(yīng)力出現(xiàn)在甲板處，且最大變形也出現(xiàn)在甲板集裝箱箱腳處。

(3)計(jì)算分析的過程表明，正確的模型、合理的網(wǎng)格劃分、科學(xué)的載荷計(jì)算、加載方法以及正確的約束條件是有限元計(jì)算的保證。

(4)本船艉部甲板局部強(qiáng)度滿足中國船級(jí)社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2012)及《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范修改通報(bào)》(2014)及《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范修改通報(bào)》(2015)第14章“結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算補(bǔ)充規(guī)定”中的相關(guān)要求。

圖8　工況2合成應(yīng)力云圖

圖9　工況1變形云圖

圖10　工況2變形云圖

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：U661.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：湯在義(1972—)，男，助理工程師，主要從事船檢工作。

收稿日期：2015-11-04