礦砂船貨艙強度有限元分析

劉健中 孫竹君

摘 要：礦砂船是專門載運散裝礦砂的船舶，礦砂作為一種比重大的散貨，對礦砂船貨艙區的強度儲備要求較高。隨著我國經濟的快速發展，近些年來對礦砂的需求逐年增加，礦砂船作為運輸載體也逐年呈現大型化的發展趨勢。本文運用MSC.PATRAN/NASTRAN有限元計算軟件，針對一條自卸礦砂船的貨艙區域進行艙段有限元計算，分析應力分布規律，對礦砂船的結構優化具有指導意義。

關鍵詞：局部強度;礦砂船;有限元分析

中圖分類號：U674.3? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）12-0080-03

1引言

隨著我國近些年經濟的飛速發展，中國快速成為了全球最大的基建市場。礦砂作為工程建設中一種基礎材料，被廣泛使用于房屋建設、道路建設中。鐵礦石是鋼鐵生產企業的重要原材料，世界鐵礦資源主要集中在澳大利亞、巴西、俄羅斯、烏克蘭、哈薩克斯坦、印度、美國、加拿大、南非等國。中國作為世界上首大鐵礦石需求國，本國的鐵礦品質并不能滿足國內需求，約70%的鐵礦需求依賴于進口。截止2020年底統計，我國進口鐵礦金額8228.7億元，上漲17.8%。

我國礦砂的主要來源為礦山和河道。沿江沿海地區憑借物流運輸條件的優勢，是礦山資源開發的重點關注區域[1]。

在日益龐大的礦砂需求下，礦砂船作為運輸載體也逐年呈現大型化的發展趨勢。礦砂作為一種比重大的散貨，對礦砂船貨艙區的強度儲備要求較高。國內已有學者針對礦砂船艙口間甲板結構進行強度分析[2]，提出該位置較容易發生梁、柱及板材的屈曲。縱向艙口圍板不連續，導致艙口角隅處產生應力集中[3]。本文選擇一條甲板結構加強、艙口圍板縱向連續的礦砂船貨艙艙段，根據中國船級社《國內航行海船建造規范》（以下簡稱規范），運用MSC.PATRAN/ NASTRAN進行有限元計算，對其應力分布規律進行分析，為進一步優化礦砂船的貨艙段船體結構，為該類型船舶的大型化提供數據支持。

2船體結構有限元模型

2.1? 結構模型

2.1.1? 目標船主要參數

本文以某沿海遮蔽航區72.8m自卸礦砂船為例，進行局部結構強度計算。該船總長72.8 m，垂線間長68.8 m，型寬15.2 m，型深4.3 m，設計吃水3.305 m。

2.1.2? 有限元結構模型

本文按照《國內航行海船建造規范》中相關規定，采用子結構建模技術對目標船進行建模。模型范圍選取為半寬模型，1/2艙長+1/2艙長，艙段模型的縱向范圍從28肋位到59肋位;垂向范圍為船體型深;模型外板、斜板、艙壁板、強框架、肋板、縱桁、肋骨腹板、甲板縱桁腹板、艙口圍板等結構用殼單元模擬，縱骨、肋骨等加強筋用梁單元模擬。船體材料的彈性模量E=2.06×105 MPa;泊松比0.3;密度7.85t/m3。船體結構模型如圖1-圖3所示。

2.1.3? 坐標系

本模型坐標系為：原點位于Fr28號船底中線處，X軸向船艏為正方向，Y軸向左舷為正方向，Z軸向上為正方向。

2.1.4? 邊界條件

模型的兩端（簡稱A端和B端）和中縱剖面（CL）均需約束詳細邊界條件見表1。

2.2? 工況及載荷

2.2.1? 計算工況

根據穩性計算書，選取滿載散貨出港和壓載出港兩種計算工況，見表2。

2.2.2? 舷外水壓力

根據《規范》第2篇1.5.3，舷外水壓力由海水靜壓力和海水動壓力兩部分組成。載荷示意圖如3所示。海水動壓力包括：

（1）舷側水線處海水動壓力PWL;

（2）船底邊緣處（舭部）海水動壓力PBS;

（3）船底中縱剖面處海水動壓力PBC;

（4）水線面以下任意點的海水動壓力Phd;

（5）水線面以上舷側外板上任意點的海水動壓力Phd;

（6）露天甲板的上浪載荷Pwdk。

2.2.3? 貨物壓力

根據《規范》第2篇1.5.4.3，取本船散貨裝載至艙口圍板頂部。

3 分析結果及結論

3.1? 分析結果匯總

礦砂船貨艙分段的強度有限元應力匯總見表3。典型應力較大位置如圖3-圖4所示。結構強度分析結果如下：

（1）全船應力最大值出現在LC1工況即滿載時FR50肋位，距中1200mm處船底縱骨。由于貨艙區滿載至艙口圍板，巨大的貨物壓力被3道縱艙壁及艙口圍板分擔，應力傳導至船底，可見船底中內龍骨附近承受了較大應力。建議該位置船底板進行板厚加強。

（2）LC1工況即滿載時FR28肋位艙口圍板垂直桁與艙口圍板、甲板板交界處應力較大。貨艙區傾斜板承受的貨物壓力由下方的縱艙壁、艙口圍板及其垂直桁承擔。得益于艙口圍板的連續設計，艙口角隅處應力集中得到了很好的緩解。

（3）從應力匯總表可以看出，貨艙斜板與三道縱艙壁的結構設計可以很好的分擔貨物壓力，提供可觀的貨艙區強度，但是犧牲了貨艙體積。

4結論

本文以某沿海遮蔽航區自卸礦砂船為例，運用子建模技術，對船體貨艙分段進行建模計算，對本船結構應力分布進行分析。本船在結構上犧牲了貨艙體積換來了良好的貨艙區結構強度。如何在經濟性和安全性上取得平衡，進行結構優化是礦砂船大型化的難點。

參考文獻：

[1]王達川，姚海元，李宜軍.我國沿海港口40萬噸級礦石碼頭新布局[J].水運工程，2021，{4}（06）：54-60.

[2]潘曼，朱凌，DAS Purnendu Kumar.礦砂船艙口間甲板結構的可靠性評估[J].船舶力學，2020，24（01）：118-126.

[3]顧俊，何建軍，傅建鵬，彭亞康.散貨船連續縱向艙口圍板設計[J].船海工程，2019，48（06）：1-5.

[4]中國船級社， 《國內航行海船建造規范》2021[S].