“粵劇紅船”橫向強度直接計算分析

朱繼欣 黃渙青 石科良 吳猛

摘? ? 要：對于客船而言，取較大型寬值可以帶來很多的便利，但同時也引發了尺度比超過規范要求等問題。除總縱強度外，橫向強度也成為該類船舶結構設計關注點之一。本文基于有限元法，對“粵劇紅船”進行直接計算，校核其橫向強度，并根據計算結果對結構設計方案提出相應建議。

關鍵詞：橫向強度;結構設計;直接計算

中圖分類號：U661.43 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract：? Larger breadth value can bring a lot of convenience to passenger ships， but it also causes the scale ratio beyond the specification requirements and other problems. In this case， the transverse strength should be concerned in the hull structural design of this kind of ship besides the general longitudinal strength. Based on the finite element method， this paper conducts the direct transverse strength calculation and evaluation of “Cantonese Opera Red Boat” according to the relevant rules of CCS， and puts forward corresponding optimization suggestions for the structural design scheme according to the calculation results.

Key words： Transverse strength;? Structural design;? Direct strength analysis

1? ? ?前言

客船取較大的型寬可以改善船舶穩性，也使甲板面積增大，給總布置帶來較多便利。但同時也給船舶結構安全性帶來相應的考驗。

增加型寬有可能導致諸如B/D尺度比超過規范要求、強橫梁跨距過大等問題。同時，由于一些特殊船舶使用性能的需要，甲板開設大開口也影響結構的連續性和強度。因此，對大尺度型寬船舶除了關注總縱強度外，橫向強度也成為結構安全的關注點之一。

“粵劇紅船”為新型水上觀光游覽船，主要用于珠江夜游中進行粵劇表演、水上游覽。該船為滿足舞臺空間的需要，采用了較大型寬設計，并且在主甲板上設有大開口、如何保障其橫向強度成為結構設計的關注點之一。

本文基于有限元法，利用MSC.Patran/Natran軟件對該船主船體建模并進行直接計算，以中國船級社規范為準繩，校核其橫向強度，并依據計算結果對結構設計進行優化。

2? ?“粵劇紅船”結構特點

該船結構參照CCS《鋼質內河船舶建造規范》（2014）（以下簡稱《內河規范》）A級航區有關要求進行設計。

（1）結構設計特點

本船采用了混合骨架式結構：船底、甲板采用縱骨架式;舷側采用橫骨架式;船中區域為雙層底結構，主甲板設有大開口。

（2）橫向強度計算依據

本船B/D=4.69>4，超過《內河規范》第1篇2.2.1要求。按照1.2.7.2要求，當船舶B/D不滿足相關要求時，應按14章規定校核船舶橫向強度。

3? ? ?橫向強度直接計算

該船主要航行于珠江航道，按內河A級航區進行設計。

3.1? ?計算模型

根據《內河規范》第1篇14.7.2.2第（1）條，該船艙段模型選取范圍為：長度方向從#10～#88;寬度涵蓋全船船寬;高度至主甲板止，不包括上層建筑。

對該船主要構件建立三維有限元模型，模型盡可能地按圖紙設計細則建立。采用右手坐標系：坐標系原點取FR0處;x方向沿船長向首為正;y方向沿船寬朝左舷為正;z方向沿垂直方向向上為正。網格尺寸采用半個肋距，模型共有單元54 267個，其中板單元40445個、梁單元13 822個。

計算采用國際單位制，即模型長度單位為米、力的單位為N、壓力單位為Pa。模型中采用的材料為低碳鋼，主要參數如下：楊氏模量E 2.06×1011 N/m2;泊松比ε 0.3;材料密度ρ 7.85×103 kg/m3。

模型按建造厚度分別對板單元和梁單元賦屬性;對梁單元考慮其法向及偏心。模型如圖1所示。

3.2? ? 工況及載荷

（1）針對該船的使用特點，取三種裝載模式：滿載出港;滿載到港;空載到港

（2）主要載荷：

① 人員及設備載荷

按照全船實際重量分布，將艙段分成若干等分，在對應分段中以節點力的形式施加載荷;

② 舷外水壓力

根據《內河規范》第1篇14.7.2.4第（2）條，舷外水壓力可按計算工況靜水平均吃水加半波高和減半波高的波面確定，舷外水壓力的最大值按下式計算：

式中：ρ為水密度;g為重力加速度;h為波面高度，取1.25 m。

舷外水載荷從最高波面處至船底呈線性分布。對橫強度而言，其舷外水載荷應包含如下兩種情況：

余弦波面沿船寬方向分布，左右舷受平均吃水加半波高波面的舷外水載荷，即對稱載荷（見圖2）;

正弦波面沿船寬方向分布，左舷受平均吃水減半波高波面、右舷受平均吃水加半波高波面的舷外水載荷，即非對稱載荷（見圖3）。

三種裝載模式下，其舷外水載荷最大值如表1所列。

對同一種裝載模式，根據舷外水載荷的不同，可組合為表2六種工況。

3.3? ?邊界條件

根據《內河規范》第1篇14.7.2.3，對艙段模型施加相應約束。

3.4? ?計算結果

（1）位移

根據《內河規范》第1篇14.7.2.5，船體和上層建筑主要構件的最大撓曲變形應不大于其跨距的1/400[1]。該船橫向強度關注的是強橫梁、實肋板與強肋骨等橫向構件，其最大跨距為9 m，許用撓曲變形為22.5 mm。

經計算，橫向強構件在各個工況下最大位移為4.3 mm，小于許用值。

（2）應力

根據《內河規范》第1篇14.7.2.5，結合所使用鋼材的材料系數為1，許用應力如表3所列。

4? ? ?結論

綜上所述，可得出如下結論：

（1） 應力最大值出現在實肋板與縱向艙壁交接處，這是出于舞臺布置的需要，使得該處結構無法進行有效結構過渡銜接。對此可在設計中采用局部加厚實肋板方法，以滿足強度需要;

（2） 甲板大開口使結構損失橫向連續性，對構件抵抗橫向彎曲產生影響。同時，由于型寬值較大，橫向構件跨距普遍較大。為此可在設計中增加橫向強構件的密度，或增加構件尺寸，并在大開口兩端設置縱桁，減小橫向構件的跨距;

（3）本文僅從橫向強度出發，并未結合大開口綜合考慮橫向彎曲與扭轉組合作用下的計算工況。對后續同類型船，可綜合考慮彎扭組合下的計算工況。

參考文獻

[1]中國船級社. 鋼質內河船舶建造規范[S].北京：人民交通出版社. 2014.

[2]王杰德， 楊永謙. 船體強度與結構設計[M].北京：國防工業出版社， 1995.