1 900 TEU集裝箱船全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

摘" " 要：本文以1900TEU集裝箱船為研究對(duì)象，根據(jù)中國(guó)船級(jí)社的規(guī)范進(jìn)行全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元計(jì)算分析，通過(guò)PATRAN軟件建立有限元模型，開展全船屈服強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度和艙口角隅的疲勞分析，計(jì)算方法和結(jié)論對(duì)大開口集裝箱船結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算和局部加強(qiáng)具有重要借鑒意義。

關(guān)鍵詞：集裝箱船；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；有限元計(jì)算

中圖分類號(hào)：U661.43 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Finite Element Analysis for Overall Structural Strength

of 1 900 TEU Container Ship

CHENG Zhenxing，" LI Dafei，" SUN Wenli，" SHANG Ping，" CHEN Zhengri

（ Guangzhou Wenchong Shipyard Co.， Ltd.，" "Guangzhou 510725，" China ）

Abstract： This paper takes the 1900TEU container ship as an example. Based on the CCS rules， the finite element analysis is carried out for the overall structural strength. The finite element model is established by way of PATRAN software to conduct the fatigue analysis for the yield strength， buckling strength and hatch corner. The calculation method and conclusion can provide important reference for finite element calculation of large opening container ship structure and local reinforcement.

Key words： container ship;" structural strength;" finite element analysis

1" " "引言

隨著航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，集裝箱船因其碼頭裝卸貨效率高、低成本、安全可靠、集裝箱具有標(biāo)準(zhǔn)化、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，在海洋營(yíng)運(yùn)中具有著重要地位。為了追求營(yíng)運(yùn)利潤(rùn)要求裝載量不斷變大，集裝箱船的舷側(cè)與外板的設(shè)計(jì)距離越來(lái)越近，造成艙口越來(lái)越大，整體船體梁的剛度減小，特別對(duì)是抗扭剛度影響很大。規(guī)范要求施加的波浪載荷尤其是斜浪載荷，可能會(huì)造成艙口附近結(jié)構(gòu)屈曲應(yīng)力和變形增大，同時(shí)容易在艙口圍的角隅產(chǎn)生應(yīng)力集中，給船體結(jié)構(gòu)帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患[1]。因此，近些年各大船級(jí)社和船東都比較重視中小型支線集裝箱船的安全性。綜合以上因素，本文以一艘支線型集裝箱船為研究對(duì)象進(jìn)行全船有限元計(jì)算分析，探討集裝箱船結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、屈曲特點(diǎn)和疲勞情況，為后續(xù)船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)。

2" " 有限元計(jì)算的難點(diǎn)

本文計(jì)算的1 900 TEU集裝箱船、無(wú)限航區(qū)、單機(jī)單槳的常規(guī)支線集裝箱船，入CCS船級(jí)社，主要的參數(shù)如表1所示。

2.1" "評(píng)估分析關(guān)鍵技術(shù)

一般支線集裝箱船的尺度滿足規(guī)范要求，不需要全船有限元計(jì)算，角隅等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按規(guī)范計(jì)算或規(guī)范要求區(qū)域加強(qiáng)即可。但是本船的1 900 TEU支線集裝箱船強(qiáng)力甲板艙口寬度為25 m，大于CCS規(guī)范要求的計(jì)算值24.475 m（規(guī)范要求0.898×船寬），應(yīng)進(jìn)行全船有限元計(jì)算。按照CCS《鋼質(zhì)海船建造規(guī)范（2021）》[2]（以下簡(jiǎn)稱“鋼規(guī)”）的相關(guān)要求，使用PATRAN軟件對(duì)其進(jìn)行全船有限元計(jì)算，分析1 900 TEU集裝箱船的全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度）和疲勞情況，重點(diǎn)對(duì)艙口圍板、艙口角隅等結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞進(jìn)行評(píng)估。全船有限元評(píng)估包括建模和疲勞計(jì)算方法兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

2.2" "全船建模

本船的平行中體區(qū)域短、線型變化大，為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)開孔結(jié)構(gòu)的處理應(yīng)保證與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符。艙口角隅需要綜合考慮船體梁總縱彎矩、扭轉(zhuǎn)和橫向載荷，該區(qū)域要求建細(xì)網(wǎng)格模型， 而且細(xì)網(wǎng)格模型要貼合角隅自由邊光順度，工作量較大；細(xì)網(wǎng)格模型的單元質(zhì)量對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果影響較大，此外載荷分布對(duì)全船有限元計(jì)算影響較大，為了獲得更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，全船分為20個(gè)分段建模，以跟實(shí)際的重量分布一致。

2.3" "疲勞計(jì)算方法

處于船中的貨艙彎矩較大，同時(shí)還受不同角度波浪的彎矩載荷，艙口角隅容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞及產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂紋。波浪載荷計(jì)算采用等效設(shè)計(jì)波方法確定，等效設(shè)計(jì)波的參數(shù)則根據(jù)譜分析方法確定，此計(jì)算方法是當(dāng)前比較精確的計(jì)算方法。

3" " 全船有限元計(jì)算分析

3.1" "有限元模型

有限元模型包括全船的主要縱向構(gòu)件和橫向構(gòu)件，主要的結(jié)構(gòu)分為艏部結(jié)構(gòu)、貨艙區(qū)域結(jié)構(gòu)、機(jī)艙區(qū)域結(jié)構(gòu)、尾部結(jié)構(gòu)、上建結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)，主要受力結(jié)構(gòu)如甲板結(jié)構(gòu)、主要橫艙壁、內(nèi)殼和縱艙壁結(jié)構(gòu)、橫向肋骨、底部結(jié)構(gòu)、甲板條結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)的開孔和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)需精準(zhǔn)建模。對(duì)于主船體板結(jié)構(gòu)，盡量采用四邊形單元，盡量避免使用影響計(jì)算的三角形單元，綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算量，CCS船級(jí)社建議全船采用粗網(wǎng)格模型，要計(jì)算的艙口角隅采用細(xì)網(wǎng)格模型。全船有限元模型見圖1所示。全船有限元模型的總體坐標(biāo)系采用鋼規(guī)的設(shè)計(jì)要求。

3.2" "質(zhì)量模型及重量重心

為進(jìn)行水動(dòng)力分析和載荷傳遞，模型要正確反映船在相應(yīng)載荷下實(shí)際的重量和分布。對(duì)于空船重量，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)的密度來(lái)達(dá)到與實(shí)際空船重量相符。對(duì)于油、水和設(shè)備的重量，采用附著在對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)上的質(zhì)量單元來(lái)模擬；對(duì)于集裝箱的重量，采用在實(shí)際箱子位置布置質(zhì)量點(diǎn)，并通過(guò)MPC（有限元模型的一種連接方式）連接到船體相應(yīng)位置來(lái)模擬。

通過(guò)上述調(diào)整，有限元模型的重量和實(shí)際重量基本相符。由于結(jié)構(gòu)重量分布與實(shí)際分布存在誤差，模型的重心位置和實(shí)際位置（包括x方向和z方向）稍有誤差，誤差值在規(guī)范中雖未有要求，但CCS船級(jí)社認(rèn)為此誤差對(duì)結(jié)果影響較小，可以忽略。

3.3" "模型邊界設(shè)置

在全船有限元計(jì)算過(guò)程中，為讓整個(gè)模型保持自由度的平衡和去除船體梁的整體位移，需要根據(jù)規(guī)范的要求對(duì)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度進(jìn)行約束，見圖2所示。

節(jié)點(diǎn)1在Y方向約束；節(jié)點(diǎn)2在XYZ三個(gè)方向都進(jìn)行約束。

尾部的節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4要在Z向進(jìn)行約束。

3.4" "計(jì)算工況及載荷

1）計(jì)算工況

根據(jù)鋼規(guī)，不同的靜水載荷和波浪載荷相互疊加形成最終的工況，見表2。需按鋼規(guī)要求進(jìn)行全船有限元計(jì)算，并對(duì)照鋼規(guī)要求衡準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)果校核。

2）靜水載荷

根據(jù)鋼規(guī)第二篇第7章3.2.1.2要求，靜水工況選擇滿載離港工況，該工況吃水10 m與結(jié)構(gòu)吃水相同。

3）波浪載荷

波浪載荷計(jì)算采用等效設(shè)計(jì)波方法，導(dǎo)入船殼模型水動(dòng)力模型，并需要對(duì)各個(gè)浪向和浪頻下的剖面載荷進(jìn)行計(jì)算，繼而計(jì)算規(guī)則波響應(yīng)，即結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和剖面上的力、彎矩、扭矩載荷，進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)及生成等效設(shè)計(jì)波。根據(jù)鋼規(guī)，采用IACS 規(guī)定的波浪散布圖，通過(guò)水動(dòng)力響應(yīng)分析，轉(zhuǎn)換為加載船體外板的波浪載荷，包括水平波浪彎矩、波浪扭矩、垂向波浪彎矩、加速度等，最終得到各主載荷對(duì)應(yīng)的等效設(shè)計(jì)波，見表3所示。

4）波浪載荷轉(zhuǎn)換

根據(jù)已經(jīng)確定的6個(gè)等效設(shè)計(jì)波，通過(guò)水動(dòng)力計(jì)算把等效設(shè)計(jì)波轉(zhuǎn)換為有限元計(jì)算需要的加速度和力，如舷外水壓力分布、船舶重心處加速度等，然后讀入到patran中并進(jìn)行有限元分析，如圖3所示。

5）集裝箱載荷

集裝箱載荷包括艙內(nèi)裝箱載荷和甲板上的裝箱載荷，根據(jù)每個(gè)集裝箱的位置和重量在每個(gè)集裝箱的重心處建立一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)，并通過(guò)MPC連接到船體相應(yīng)位置來(lái)模擬整個(gè)貨物重量，見圖4。

3.5" "屈服、屈曲計(jì)算

1）屈服計(jì)算分析

屈服計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。規(guī)范屈服許用值為220 MPa，本船的屈服計(jì)算結(jié)果全部滿足規(guī)范要求。由計(jì)算結(jié)果可得出結(jié)論：應(yīng)力最大的區(qū)域集中在船中的艙口圍和內(nèi)殼壁頂端，大開口集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮合理加強(qiáng)。

2）屈曲計(jì)算分析

屈曲強(qiáng)度結(jié)果如表5所示，計(jì)算衡準(zhǔn)為最大屈曲利用因子小于1。除了甲板和舷側(cè)水平桁的幾個(gè)板格因?yàn)槭侨菃卧芰星Y(jié)果略大，可以忽略，其余結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

表5" 屈曲強(qiáng)度結(jié)果匯總

3.6" "基于譜分析的疲勞強(qiáng)度校核

根據(jù)鋼規(guī)，結(jié)構(gòu)的疲勞評(píng)估基于Palmgren-Miner累積損傷方法，累積損傷度計(jì)算公式如下：

式中：DT為累積損傷度；α為船舶在運(yùn)營(yíng)航行的系數(shù)，取0.85；K為S-N圖表的數(shù)值； ND為20 年航行時(shí)間內(nèi)船總的加載重現(xiàn)次數(shù)，一般是0.65×108；SD為許用應(yīng)力數(shù)值區(qū)間，N/mm2；NL為一個(gè)周期內(nèi)載荷譜所有的循環(huán)次數(shù)，一般為108。

疲勞計(jì)算結(jié)果要滿足結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命期間內(nèi)的累積損傷度 的要求：

式中：TD為設(shè)計(jì)疲勞壽命，取20年。本例計(jì)算疲勞計(jì)算衡準(zhǔn)為小于1。

為保證疲勞分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，本船疲勞強(qiáng)度校核采用等效設(shè)計(jì)波法。另外，將艙口角隅區(qū)域區(qū)域的粗網(wǎng)格模型進(jìn)行細(xì)化處理，粗、細(xì)網(wǎng)格之間要有合理過(guò)渡，保證結(jié)果的準(zhǔn)確；細(xì)化的角隅有限元模型要保證跟實(shí)際結(jié)構(gòu)一致，負(fù)角隅按實(shí)際開孔，并調(diào)整角隅自由邊和趾端的單元網(wǎng)格保持光順，否則對(duì)疲勞結(jié)果有較大影響，計(jì)算角隅位置分布見圖5（其中位置1和位置2是艙口圍角隅，位置1和位置2是主甲板角隅）。

細(xì)化模型讀取粗模型的邊界條件和載荷以及屈服、屈曲計(jì)算結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估，疲勞評(píng)估計(jì)算結(jié)果如表6所示，均滿足疲勞的規(guī)范要求。通過(guò)表中結(jié)果可以看出在上方艙口圍的角隅的疲勞結(jié)果較大，因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)對(duì)此區(qū)域進(jìn)行過(guò)加強(qiáng)，疲勞校核結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4" " 結(jié)論

1）本例的1 900 TEU集裝箱船屈服應(yīng)力最大區(qū)域在船中的艙口圍以及周圍的內(nèi)殼壁結(jié)構(gòu)上，屈服強(qiáng)度較大易引起屈曲和疲勞問(wèn)題，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)此區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行板厚加強(qiáng)，有限元校核結(jié)果均滿足規(guī)范要求。后續(xù)在大開口集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

2）根據(jù)其他船級(jí)社規(guī)范，本尺度的支線集裝箱船一般只要求規(guī)范校核和三艙段計(jì)算分析，而按照CCS船級(jí)社規(guī)范要求進(jìn)行全船有限元分析對(duì)整個(gè)船體梁進(jìn)行校核。本項(xiàng)目的全船有限元分析方法和結(jié)論可以作為常規(guī)中小型支線集裝箱船設(shè)計(jì)校核參考，特別是對(duì)艙口角隅等結(jié)構(gòu)校核的一個(gè)補(bǔ)充。

3）集裝箱船的艙口圍受彎矩的影響屈服應(yīng)力較大，間接造成艙口圍角隅容易產(chǎn)生疲勞問(wèn)題。在大開口集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)角隅的半徑、趾端等，還要進(jìn)行有限元疲勞分析，對(duì)此區(qū)域適當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

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