紙漿船貨艙區域結構強度分析

劉沛鑫

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

我國是造紙大國，近年來造紙行業的市場份額逐年上升，2020年1月～10月中國紙漿進口數量為2 531萬噸，同比增長288萬噸，增幅為12.9%。紙漿貿易的飛速發展對紙漿運輸的需求大幅提高，并為紙漿船帶來巨大的發展機會。船體結構強度對保障紙漿船的安全性和可靠性非常重要，不同規范雖有所不同，但其合理性均經過了實踐檢驗，各規范的計算方法均偏于保守，只是保守程度存在差別。在進行船體強度分析時，人工計算往往會帶來較大的誤差，而有限元法精度較高。目前，有限元法在船舶結構領域已應用于整船強度分析、靜力學分析、動力學分析、結構應力集中分析、結構疲勞強度分析、構件屈曲和極限強度研究等方面。本文對60 000 t紙漿船貨艙區域的結構進行建模，利用有限元軟件MSC/PATRAN分析結構強度，并在此基礎上對紙漿船進行優化設計。

1 紙漿船介紹

60 000 t紙漿船的主尺度見表1。

表1 60 000 t紙漿船主尺度

2 有限元建模

2.1 方法介紹

有限元的計算是隨著計算機技術的進步發展而起來的一種數據分析方法，以矩陣為表達形式，物量概念較為明確，數學邏輯較為嚴謹，便于計算機編程及計算，可解決很多工程應用問題。

有限元直接計算法就是將原有結構物網格劃為若干單元，單元與單元用節點來相連接，用近似函數來替代單元內部的真實變量，從中求得網格結構模型的近似值。雖然有限元直接計算法在無限域、應力集中問題與裂縫體分析等方面有一定程度的不足，但是相對于大部分結構問題，都能求出比較理想的近似解，具有很強的通用性與適應性。大型結構由于其局部非線性特征或者是較復雜的物理結構形式，往往難以直接計算得到解析值，而有限元法通過對約束、結構及載荷的模擬，便于快速求出精度很高的近似解。因此，有限元法在科研領域與工程實際取得了非常廣泛的應用。

近些年來，隨著計算機水平的不斷發展，有限元在船舶結構仿真分析方面取得很大進步。從千萬節點級別的簡易結構分析到百萬節點級別的龐大結構分析、從線性計算到非線性計算，有限元法對復雜結構的計算能力提升明顯。有限元仿真在船舶的振動、碰撞、屈曲強度、疲勞強度、屈服強度分析等方面起著愈來愈重要的作用，為船舶的設計與事故分析供應了相當有力的分析工具。

本文采用MSC/PATRAN軟件對60 000 t紙漿船貨艙區域的結構進行建模，并分析結構強度。

2.2 單位及坐標系

本文的有限元模型采用毫米單位制，物理量與單位情況見表2。

表2 物理量與單位情況

三維空間坐標系滿足右手法則，軸正方向由艉部指向艏部，軸正方向從右舷指向左舷，軸正方向從船底指向甲板。

2.3 模型與單元

60 000 t紙漿船為雙殼雙底結構，雙殼和雙層底是連通的，貨艙區域為縱骨架式。60 000 t紙漿船貨艙區域有限元模型見圖1。模型在方向上取為2倍艙室長度，方向上取整寬，方向上取整高。劃分網格時需要根據肋距模型和縱骨間距選擇網格尺寸，采用Beam單元和Shell單元對貨艙各個構件進行仿真。

圖1 貨艙區域有限元模型

2.4 材料參數

有限元仿真選取的材料參數見表3。

表3 材料參數

3 工況設置

有限元分析時需要考慮裝載模式與動載荷模式。裝載模式應包括各種可能的貨艙局部載荷情況，以及不同載荷組合。

3.1 工況選取

本文選取裝載模式下的2種工況進行有限元強度分析：

1）均質滿載（輕貨）工況

均質滿載（輕貨）工況需要考慮船體重力+波浪壓力+輕貨載荷。

2）均質滿載（重貨）工況

均質滿載（重貨）工況需要考慮船體重力+波浪壓力+重貨載荷。

3.2 輪廓與載荷

60 000 t紙漿船貨艙區域輪廓示意圖見圖2。模型需要考慮動載荷與靜載荷。動載荷主要包括舷外水動壓力、貨物動載荷與船體梁動載荷；靜載荷包括舷外靜水壓力、貨物重力和結構重力。

圖2 貨艙區域輪廓示意圖

4 計算結果

在進行結構強度校核前，需要將總體載荷工況和局部載荷工況產生的應力合成為Von Mises應力，其計算公式為

式中：為Von Mises應力；σ、σ分別為方向和方向上的正應力分量；為切應力。

各主要構件的許用Von Mises應力[]和許用切應力[]見表4。

表4 各主要構件的許用應力

4.1 外底板應力計算結果

外底板Von Mises應力計算結果見圖3，最大應力出現在02_Homo2_Hog中拱處，該處材料為AH36鋼，最大應力值為262 MPa，小于許用值306 MPa，滿足中國船級社（China Classification Society，CCS）的相關要求。

圖3 外底板Von Mises應力計算結果

4.2 橫艙壁應力計算結果

橫艙壁Von Mises應力計算結果見圖4，最大應力出現在061_HC Loads_Heavy_Hog中拱處，該處材料為AH36鋼，最大應力值為209 MPa，小于許用值243 MPa，滿足CCS的相關要求。

圖4 橫艙壁Von Mises應力計算結果

5 結論

本文對60 000 t紙漿船貨艙區域的結構進行建模，利用有限元軟件MSC/PATRAN對不同工況下的船體結構強度進行計算與分析。結果表明：各工況下外板與橫艙壁的應力值均小于許用應力值，滿足CCS規范要求。本文研究成果可為紙漿船結構強度分析和優化設計提供一定指導。