1000t級漁業輔助船集裝箱基座及支撐結構強度分析

周林 黃渙青

摘? ? 要：本文對1000噸級漁業輔助船，應用有限元方法對其甲板上集裝箱基座及其支撐結構強度進行分析，建立了包括集裝箱基座、主甲板、舷側、艙壁、支柱及其附屬結構的有限元模型。依據規范計算各工況下集裝箱受力，并將集裝箱支反力加載到模型上，根據得到的應力水平對結構形式進行優化。

關鍵詞：漁業輔助船;集裝箱基座;支撐結構;有限元方法

中圖分類號：U663.7? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： This paper s analyses the strength of container foundation and supporting structure on the deck of a 1000-ton fishery auxiliary vessel by finite element method. The finite element model of container foundation， main deck， side， bulkhead， pillar and its subsidiary structure is established. The loads on the container under each working condition are calculated according to the relevant rules， and the reaction force of the container under each working condition is loaded onto the model， and the structure was optimized according to the stress level obtained.

Key words： Fishery auxiliary vessel; Container Foundation; Supporting structure; Finite element method

1? ? 引言

漁業輔助船主要用于漁船遠洋作業時的物質補給，并將漁船捕撈所得魚貨通過捕撈輔助船甲板上的冷藏集裝箱轉運，提高漁船的捕撈效率;同時小型漁船在海上開展密集型的捕漁作業時，需要燃料、淡水、食品等補給也要依托漁業輔助船。

該船主甲板上設置一層20呎標準集裝箱和冷藏集裝箱，為保證集裝箱基座及其甲板下支撐結構的強度，采用有限元方法對集裝箱基座及其甲板下支撐結構進行強度校核，并根據計算結果和變形特點對其結構形式進行優化，對今后類似船的加強結構設計具有一定的參考價值。

2? ?本船概述

本船主要尺度：

本船滿載時在主甲板上裝載11個20 ft集裝箱，每個集裝箱重量按15 t計，集裝箱布置見圖1。

集裝箱結構基座設置在船體橫向強框架上，并在縱向骨架上設置肘板對基座進行支撐，集裝箱與結構基座采用45°燕尾槽式轉鎖連接（見圖2）。

3? ?有限元模型

本船有限元模型采用局部立體結構模型：模型范圍為長度方向從#36～#90、寬度方向從右舷舷側至左舷舷側、高度方向從甲板面集裝箱基座頂部至雙層底。

模型采用2節點梁單元模擬橫梁、肋骨、支柱以及強橫梁、縱桁、水平桁、垂直桁的面板和肘板的面板，共12 248個梁單元;采用板單元模擬甲板板、艙壁板、舷側板以及強橫梁、強肋骨、縱桁、水平桁、垂直桁的腹板和肘板的腹板，共55 861個板單元;節點共55528個。有限元模型見圖3。

模型網格大小約為150 mmx150 mm，在集裝箱與基座連接處采用MPC剛性連接。

船體材料為船用普通鋼：彈性模量E=2.06×1011 N/m2、泊松比0.3、密度7 850 kg/m3、屈服強度為235 MPa。

4? ?邊界條件及載荷工況

4.1? 邊界條件

將模型#36和#90橫截面以及艙壁和支柱與內底板連接處邊界剛性約束。

4.2? 設計工況

由于甲板上集裝箱布置相對船體左右舷不完全對稱，考慮到集裝箱載荷縱向分力和橫向分力的方向性以及垂向分力中最大箱角壓力和最小箱角壓力的變換，本次計算共考慮四種計算工況，如表1所示。

4.3? 集裝箱支反力

集裝箱的支反力根據集裝箱在船舶運動和風壓等狀態下的受力計算得出，根據《規范》對集裝箱受力及系固設備的要求，需要考慮船舶運動對集裝箱的影響。

4.3.1 船舶運動加速度計算

（1）橫搖周期計算：

式中：Kr為橫搖轉動半徑，m;GM為滿載出港時初穩性高度，m。

（2）最大橫搖角φm計算（取不大于0.523rad）：

式中：B為船寬，m;fr為航區系數;k為系數。

（3）縱搖周期TP計算：

式中：L為船長，m。

（4）最大縱搖角Ψm計算（但不大于0.14rad）：

式中：Cb為方形系數;CV=L0.5/50（取不大于0.2）;V為最大服務航速，kn。

（5） 縱蕩加速度ax計算：

（6）橫蕩加速度計算：

式中：a0--加速度系數。

（7） 升沉加速度az計算：

（8） 橫搖角加速度ar計算：

（9） 縱搖角加速度ap計算：

（10） 橫向合成加速度at計算：

式中：kX為縱向分布系數。

x為計算點至尾垂線的縱向距離，m。

橫向合成加速度at還應不小于按下式計算所得：

式中：z為計算點至基線的垂向距離，m;zrp為橫搖轉動軸和縱搖轉動軸到基線的垂直距離，取zrp1= D/4+d1/2和zrp2= D/2之小者，m;

d1為計算工況下的吃水，m。

（11）縱向合成加速度al計算（不小于1.5 m/s2）：

（12）垂向合成加速度av計算（取大值）：

式中：y為計算點至中縱剖面的橫向距離，m。

4.3.2 集裝箱受力計算

（1）平行于甲板的橫向分力計算：

式中：G為集裝箱重量，t;q為風壓，（對舷旁外側的集裝箱q=1.0 kPa;對底層的集裝箱還需考慮1.0 kPa的飛濺力）。

（2）垂直于甲板的垂向分力Fz計算：

（3）平行于甲板的縱向分力Fx計算：

4.3.3? 集裝箱上的力的分配與組合

（1）橫向分力Fy

Fy由箱的前后端壁傳遞到支撐點x。對第i只集裝箱的每個端壁傳遞的橫向力Hi為：

（2）垂向分力Fz

Fz由箱的4個底角傳遞到座點的支撐結構上。對第i只集裝箱的每只底角處的垂向分力Vi為：

（3）縱向分力Fx

Fx由箱的左右縱壁傳遞到支撐點x。對第i只集裝箱的每道縱壁傳遞的縱向分力Li為：

（4）一層集裝箱端壁上的力（見表2）

（5）一層集裝箱縱壁上的力（見表3）

4.3.4? 集裝箱支反力

根據上述計算得到本船集裝箱上力的分配與組合（見表4-表7），折算成支反力加載到集裝箱基座上。

4.4? 其他載荷

4.4.1 甲板載荷

根據《規范》要求，在模型上施加甲板設計載荷P：

式中：h為計算壓頭，m;γ為裝載率，取γ=1.39 m3/t。

4.4.2 重力加速度

在模型上施加重力加速度。

5? ?許用衡準

根據《規范》各種工況下綁扎橋、固定式貨物系固設備的支撐結構的許用應力，如表8所示。

6? ?計算應力及變形匯總

各種工況下，各評估區域的最大應力和變形計算結果如見表9、表10和圖4～圖7所示。

7? ?甲板下支柱校核

根據有限元分析的結果，在工況4時支柱的軸向壓應力最大，達到87.1 MPa。? ? ? ? ? ? ? ? （下轉第頁）（上接第頁）

支柱的規格為φ146x8，支柱剖面積為34.7 cm2，由此求得支柱承受的最大軸向力為302.24 kN。

根據《規范》要求，支柱的剖面積A應不小于計算之值：

式中：P為支柱載荷，kN;l為支柱有效長度（取支柱全長的0.8倍），m;r為支柱剖面的最小慣性半徑，cm;K為材料系數（取不小于0.72）。

所選支柱規格為φ146x8，剖面積為34.7 cm2，大于計算所得最小剖面積32.95 cm2;且壁厚大于計算所得7.63 mm，滿足要求。

8? ?結論與展望

本文利用MSC Patran/Nastran軟件建立集裝箱基座及甲板下加強結構模型。該軟件可以較好地模擬集裝箱基座及其加強結構在各個工況下的應力響應。在本次分析過程中，不斷對支撐結構進行優化，最終結果滿足規范要求，并得出以下結論：

（1）在集裝箱基座四個角點處的甲板下，需設置較強的縱向和橫向強框架來支撐集裝箱基座;

（2）在計算集裝箱支反力時，要考慮船舶運動、風壓等對集裝箱的影響;

（3）根據計算結果表明，應力較大的區域為基座面板及中部支柱頂部區域，在結構設計時應通過肘板來進行加強。

參考文獻

[1] 黃聰， 劉兵山. Patran從入門到精通[M]. 中國水利水電出版社， 2003.

[2] 中國船級社. 國內航行海船建造規范（2015）[S].人民交通出版社，??2015.

[3] 陳小劍. 船舶貨物布置與系固[M]. 上海交通大學出版社， 2001.