多用途船長貨艙直接強度分析

劉 輝，姜海寧，紀宏源，馮 可

（中遠海運重工有限公司 技術研發中心，遼寧大連 116600）

0 引言

本項目是航行于無限航區的50 000 DWT多用途船。本項目為全焊接、鋼質的單甲板、雙層殼、雙層底船，首、尾分別為直首、方尾，貨艙區域設有橫艙壁、工作通道、舷側和底壓載艙。船體在貨艙區域底部和舷側的結構形式為縱骨架式，艙壁的結構形式是橫骨架式[1]。

本項目的主尺度及主要參數如下：總長LOA：189.5 m；垂線間長LBP：186 m；型寬B：32.26 m；型深D：18.3 m；設主吃水dd：11 m；結構吃水ds：12.5 m；方形系數Cb：0.81；肋距：0.795 m；目標艙（長貨艙）尺寸（長×寬×高）：55.65 m×27.26 m ×16.67 m。本項目入級CCS，計算船長L取97%水線長，為183.815 m。

為保證船舶航行安全、結構安全，在規范計算的基礎上，需要進行貨艙艙段的直接強度計算：依據設計圖紙進行三維有限元建模；按照 CCS《雙舷側散貨船結構強度直接計算指南》（以下簡稱《指南》）進行邊界條件施加；按照CCS《鋼質海船入級規范》（以下簡稱《規范》）計算波浪載荷，以及按照裝載手冊取靜水彎矩；按照裝載手冊提供的工況計算貨艙及艙蓋上的壓力及壓載艙的靜水壓力[2]。

本項目不考慮貨艙內裝載集裝箱工況，校核目標艙為長貨艙。

1 貨艙段有限元模型

1.1 模型范圍

本項目所使用的有限元模型由NAPASteel軟件創建，為全寬模型，模型長度從機艙前艙壁到防撞艙壁，模型艙長與真實長度一致。對于所有的板采用三節點和四節點殼單元建模，對于型材采用二節點單元建模，沒有建立肘板、穿越孔、小的管子開孔等。如圖1所示。

有限元網格沿著縱向按肋骨間距劃分，沿著橫向按縱骨間距劃分，沿著垂向按骨材間距劃分，單元盡量保證正方形或矩形，部分結構空間采用三角形單元。

圖1 全尺寸有限元模型

1.2 邊界條件

根據《指南》的規定，本項目需要計算總體載荷工況與局部載荷工況，其邊界條件的施加不同，需分別滿足表1和表2的邊界條件。邊界條件示意圖見圖2。

表1 局部載荷工況

表2 總體載荷工況

圖2 邊界條件示意圖

1.3 計算工況及載荷

考慮本項目具有長貨艙的型式特點，《指南》中規定的工況無法涵蓋本項目，因此按照裝載手冊的裝載工況考慮，對危險的裝載工況進行計算。本項目計算工況為：到港壓載工況（工況04）、到港均布裝載貨物工況（工況06）、到港一般裝載工況（艙蓋裝集裝箱）（工況08）、到港鋼卷裝載工況（工況10）。

到港壓載工況載荷為壓載水注滿工況，其載荷按照內部靜水壓強形式施加，單位為N/mm2。

到港均布裝載貨物工況載荷為貨艙裝滿工況，計算載荷按照艙底均勻分布施加3 t/m3。

到港一般裝載工況（艙蓋裝集裝箱）載荷為貨艙裝滿、艙蓋裝滿集裝箱工況，貨艙計算載荷按照艙底均勻分布施加12 t/m2，艙口蓋載荷采用MPC點將載荷傳遞到艙口圍腹板上。

到港鋼卷裝載工況載荷為貨艙裝滿鋼卷，計算載荷按照艙底均勻分布施加20噸/個，D=1.6 m，L=1.6 m，2tiers。

外板靜載荷按照《規范》要求外部海水靜壓力Phs進行施加，單位為N/mm2。

外板動載荷按照《規范》要求水線以下任一點的海水動壓力Phd進行施加，單位為N/mm2。

2 計算結果

按照散貨船裝載考慮，長貨艙各部分主要結構綜合應力的許用值和計算值、剪切應力的許用值和計算值如表3所示，應力分布圖如圖3和圖4所示。

表3 各主要構件上的單元應力

圖3 綜合應力計算結果

3 結論

本項目對50 000 DWT多用途船的長貨艙進行結構強度直接計算，計算結果表明：

圖4 剪切應力計算結果

1）按照裝載散貨船考慮時，考慮裝載手冊中所列的工況，本項目的強度計算滿足要求。

2）艙口角隅是大開口船舶的特別關注的熱點，通常有效的正/負角隅設計以及有限元模型的細化分析可以有效避免高應力的出現。

3）在實際的貨物裝載時，除了按照裝載手冊調整壓載水外，還要考慮貨物與壓載水對長貨艙的扭轉影響，盡量減小橫艙壁附近的剪切應力。