橫浪載荷下甲板貨船橫向強度計算實例分析

陳炯，楊琦

（1.九江職業技術學院，江西 九江 332000；2.九江職業技術學院船舶與海洋工程技術研究所，江西 九江 332000）

甲板貨船主要用于運輸大件甲板貨物或石料等，由于載運貨物質量大、重心高等特點，該類船型通常呈現具備載貨面積大、單位面積載荷高、寬深比大、長寬比小和設置全通甲板等特點[1]。

關于甲板貨船橫向強度的計算實例中，許君林[2]以某109.8 米甲板貨船為例進行了實例分析，其計算過程對同類船型橫向強度計算具有一定的參考意義；趙重一[3]選取了某114.3 米甲板貨船，并對貨船區域結構進行了優化。

目前該類船型結構設計除滿足第二篇第二章設計要求外，還通常應該滿足第十二章駁船的相關要求。《國內航行海船建造規范》（2021）第二篇第十二章明確提出了對B/D≧3的箱型駁船橫向強度直接計算校核方法，并對橫向強度計算中載荷、結構模型、強度評估作了具體說明。

1 計算船型概述

本船為貨艙區域采取雙底、單舷側、單甲板結構，貨物甲板及FR44-FR180 主船體均為縱骨架式，其他區域為橫骨架式的混合骨架式甲板貨船，計算船型側視圖見圖1。

圖1 147 米甲板貨船側視圖

船舶主要量度如下：

總長Loa=147.50m；設計水線長Lwl=147.50m；垂線間長Lpp=143.50m；型寬B=39.00m；型深D=9.00m；設計吃水d=5.90m；計算船長L=143.08m；結構吃水d=6.00m；裝貨甲板設計載荷=20t/m2。

為有效控制船體結構重量，同時兼顧中剖面模數要求，主船體區域采用了普通鋼和高強度鋼混合使用的形式。載貨區域肋骨間距為700mm，設置左右舷共2 道居中距離為5600mm 的縱艙壁。橫向強框架最大間距為3 個肋位，雙層底區域設置水密中桁材和左右各5 道對稱的非水密旁桁材,船底桁材上方設對應縱壁或支柱。貨艙強框架結構如圖2 所示，相關橫向構件實際取值如表1。

表1 橫向構件規格型號表

圖2 貨艙區域強框架典型橫剖面圖

2 橫浪載荷

當船舶處在橫浪中時，兩舷的水壓不同，波浪拍擊船體側面，會造成船體的橫向彎曲和橫向傾斜，保證橫向強度的構建主要有橫艙壁、肋板、肋骨、橫梁、外板、甲板等。

船型不一樣，橫向強度計算中的舷外水壓力取值方式也不一致，例如，滾裝船、客船計算時僅考慮海水靜壓力，散貨船（貨艙長度超過30 米）則是考慮海水靜壓力和動壓力的結合，其動壓力數值和航區、型寬、方形系數、計算工況下吃水、計算點至縱中剖面的橫向距離或至極限的垂線距離等因素有關。

甲板貨船橫向強度的計算方法參照箱型駁船執行，工況僅考慮甲板貨物載荷和舷外水壓力的作用。舷外水壓力載荷由靜水壓力和波浪水動壓力兩部分組成，在計算工況中采用施加于兩舷的不對稱舷外水壓力來模擬。可假定一舷側受到靜水壓力和波浪壓力的疊加作用，另一舷側受靜水壓力與反向波浪動壓的作用，但計算結果小于零時取零計入[4]（如圖3）。

圖3 甲板貨船舷外水壓力示意圖

3 有限元模型

3.1 模型范圍

通常橫向強度計算方法主要對貨艙部分進行強度計算，而其余部分的強度不進行計算[5]。本計算使用PATRAN-NASTRAN 有限元軟件進行建模，模型范圍沿船長方向選取船中區域一個包括兩端橫艙壁的完整艙段。全船肋位范圍是尾（FR-7）-FR209，模型實際選取范圍為FR90-FR103。

3.2 邊界條件

模型坐標原點在Fr90 橫艙壁船底中線處，X 軸沿船長方法為正，Y 軸向左舷為正方向，Z 軸向上為正方向。計算時，艙段前后兩端橫艙壁邊緣上所有節點均約束3 個方向線位移，模型邊界條件示意圖見圖4 所示。

圖4 有限元模型及邊界條件

4 計算工況

本船甲板設計載荷為20.0t/m2，裝貨甲板面積130m（長）×39m（寬）。

橫向強度計算工況取以下兩種：

對稱工況：此工況下，船體承受垂直于外板向內的舷外靜水壓力和兩舷對稱的波浪動壓力，以及垂直向下的最大甲板許用載荷。

非對稱工況：此工況下，船體承受垂直于外板向內的舷外靜水壓力和一舷由外向內、另一舷由內向外作用的反對稱波浪動壓力，以及垂直向下的最大甲板許用載荷。

參考圖3，確定本船兩種工況下舷外水壓力如表2所示。

表2 不同工況下舷外水壓力取值

5 強度校核

5.1 許用應力

板單元、梁單元許用應力取值如表3、表4。

表3 板單元許用應力 N/mm2

表4 梁單元許用應力 N/mm2

表中：σe—板單元相當應力（即VonMises 應力），N/mm2；τ—基于腹板總高度的平均剪應力，N/mm2；σrod—梁單元的正應力（不包括彎曲應力成分），N/mm2；K—材料系數，CCS-A 級鋼為1.0，CCS-AH36 級鋼為0.72。

5.2 應力衡準

各工況中，最大應力匯總如表5、表6。

表5 CCS-A 級鋼區域最大應力匯總表

表6 CCS-AH36 級鋼區域最大應力匯總表

應力云圖如圖5 所示：

圖5 橫框架板單元最大相當應力云圖

6 結論

依據《國內航行海船建造規范》（2021）箱型駁船橫向強度校核的相關要求，結合實際貨物載荷、波浪載荷情況，本文校核了本船貨艙區域橫向結構強度。計算結果表明采取普通鋼和高強度相結合的骨架形式，有助于提高計算船型橫向強度，并降低船只空船重量，其骨架形式和構件選取也對同類船型具有一定的參考價值。