(中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

江海通航貨船由于航行條件特殊(既航行于內(nèi)河又航行于海洋)、裝運(yùn)貨種的多樣性、貨艙裝載狀況的多變，因此貨艙段的應(yīng)力情況較復(fù)雜，對(duì)貨艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核是十分必要的。

針對(duì)某江海通航貨船的貨艙結(jié)構(gòu)建立有限元模型，選定兩種典型工況(滿(mǎn)載出港和壓載到港)進(jìn)行強(qiáng)度分析。

1 艙段建模

1.1 貨艙艙段幾何結(jié)構(gòu)

為分析江海通航貨船的總強(qiáng)度情況，通過(guò)建模計(jì)算分析貨艙在選定典型工況下的應(yīng)力情況。

計(jì)算模型是由某江海通航貨船#38～#85肋位區(qū)間，包括半個(gè)機(jī)艙、第2貨艙、半個(gè)第1貨艙的所有結(jié)構(gòu)組成，三維模型整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

由于載荷對(duì)稱(chēng)、結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，模型考慮一半(左舷部分)；主要分析對(duì)象為第2貨艙，為盡量消除邊界的影響，在第2貨艙兩端考慮了半個(gè)機(jī)艙和半個(gè)第1貨艙，由圣維南原理可以知道，計(jì)算模型應(yīng)該能夠基本上反映江海通航貨船貨艙第2貨艙的真實(shí)應(yīng)力場(chǎng)[1-2]。

1.2 貨艙艙段有限元模型

根據(jù)上面幾何模型，采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行有限元?jiǎng)澐忠?jiàn)圖2。

圖2 艙段有限元模

在建立有限元模型時(shí)，作了如下簡(jiǎn)化和假設(shè)：

1) 僅考慮材料的線(xiàn)彈性物理特性，不計(jì)結(jié)構(gòu)由于大變形產(chǎn)生的幾何非線(xiàn)性效應(yīng)，所有的計(jì)算都按線(xiàn)彈性理論；

2) 不考慮立體艙段的線(xiàn)型的變化，全部采用平行中體的剖面建立艙段模型；

3) 將焊接部分作為本體材料進(jìn)行建模。

為了能分析如腹板、面板等局部結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力，而且考慮到計(jì)算量并不是障礙，故采用了平面殼單元(shell63)和三維梁(beam188)單元；支柱采用link1單元；而且根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，只建立模型的一半。整個(gè)有限元模型共有9 240個(gè)shell63單元，5 363個(gè)beam188單元；56個(gè)link1單元，2個(gè)mass21單元。

船體材料為船用A級(jí)鋼，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比υ=0.3，密度ρ=7.8×10-9t/mm3，屈服極限σs=235 MPa.

2 邊界條件及載荷工況

計(jì)算時(shí)采用的坐標(biāo)系是整體笛卡兒坐標(biāo)系，計(jì)算模型的x方向、x方向、z方向分別為船寬、型深、船長(zhǎng)方向，坐標(biāo)原點(diǎn)在縱中#50肋位處。

2.1 邊界條件

1) 縱中剖面上節(jié)點(diǎn)施加對(duì)稱(chēng)邊界條件[3]：

Ux=0Roty=0Rotz=0

2) 端面約束。在端面形心處建立-剛性點(diǎn)(主節(jié)點(diǎn))。

端面A的剛性點(diǎn)約束為Ux，Uy，Uz，Roty，Rotz。端面B的剛性點(diǎn)約束為Ux，Uy，Roty，Rotz。

模型的邊界條件見(jiàn)圖3。

圖3 模型的邊界條

2.2 計(jì)算工況

1) 滿(mǎn)載出港。吃水d=5.1 m，載貨量：第1貨艙2 300 t，第2貨艙2 700 t。

2) 壓載到港。吃水d=2.69 m，壓載水1 594 t。

外載選取及施加參考文獻(xiàn)[4]。

(1)空船重量。程序自動(dòng)施加。

(2)機(jī)艙重量。轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)力施加在基座上。

(3)舷外水壓力。靜水和波浪相疊加用APDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)施加。

波浪的平衡位置的求得是通過(guò)在AUTOCAD中求出濕表面積進(jìn)而求出排水量，通過(guò)調(diào)整水線(xiàn)位置，使AUTOCAD中求出排水量與該船穩(wěn)性計(jì)算對(duì)應(yīng)狀態(tài)的排水量的誤差不超過(guò)3%。

(4)艙內(nèi)貨物壓力。

(5)滿(mǎn)載出港時(shí)甲板上的水動(dòng)壓力。

(6)端面彎矩。

(7)壓載水壓力。

3 計(jì)算結(jié)果

去掉邊界條件的影響，取出中間艙段第2貨艙，其應(yīng)力情況是可靠的。

3.1 有限元計(jì)算結(jié)果

兩種計(jì)算工況的第二貨艙有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，各構(gòu)件的von Mises應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4～11。

表1 兩種工況的有限元計(jì)算結(jié)果 MPa

續(xù)表1 MPa

圖4 滿(mǎn)載出港艙口圍板應(yīng)力云

圖5 滿(mǎn)載出港內(nèi)底板應(yīng)力云

圖6 滿(mǎn)載出港剪切應(yīng)力云

圖7 滿(mǎn)載出港梁應(yīng)力云

圖8 壓載到港艙口圍板應(yīng)力云

圖9 壓載到港內(nèi)底板應(yīng)力云

圖10 壓載到港貨艙梁應(yīng)力云圖

圖11 壓載到港剪切應(yīng)力云

由表1和圖4～11知：

對(duì)滿(mǎn)載出港工況，板的最大von Mises應(yīng)力為149.056 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在艙口圍板的艙口角隅處；內(nèi)底板的最大von Mises應(yīng)力為135.019 MPa，發(fā)生在內(nèi)底板與第2根旁桁材、橫艙壁相交處；普通骨材的最大應(yīng)力為156.2 MPa，發(fā)生在第2貨艙首端邊艙甲板縱骨與橫艙壁相交處；最大切應(yīng)力為56.868 MPa，發(fā)生在第2貨艙尾端斜板與橫艙壁相交處。

對(duì)壓載到港工況，板的最大von Mises應(yīng)力為156.069 MPa，最大應(yīng)力亦發(fā)生在艙口圍板的艙口角隅處；內(nèi)底板的最大von Mises應(yīng)力為113.640 MPa，發(fā)生在內(nèi)底板與第二根旁桁材、橫艙壁相交處；普通骨材的最大應(yīng)力為126.223 MPa，發(fā)生在發(fā)生在第2貨艙首端邊艙甲板縱骨與橫艙壁相交處；最大切應(yīng)力為46.630 MPa，發(fā)生在第2貨艙首端艙口內(nèi)舷板與橫艙壁相交處。

3.2 梁模型計(jì)算結(jié)果

從本船《總縱強(qiáng)度校核計(jì)算書(shū)》可得兩種計(jì)算工況的梁模型計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 兩種計(jì)算工況的梁模型計(jì)算結(jié)果 MPa

比較表1和表2可知：有限元計(jì)算結(jié)果應(yīng)力略小于傳統(tǒng)的梁理論計(jì)算結(jié)果，傳統(tǒng)的梁理論計(jì)算偏于保守，有限元計(jì)算精度較高，對(duì)合理設(shè)計(jì)船舶結(jié)構(gòu)有積極意義。

4 強(qiáng)度分析

根據(jù)CCS《散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析指南》(2003)第7章7.2之表7.1的規(guī)定，考慮到船體結(jié)構(gòu)材料的最大屈服應(yīng)力σs=235 MPa，許用應(yīng)力見(jiàn)表3。

表3 許用應(yīng)力 MPa

而艙段模型在選定的兩種工況下最大von Mises應(yīng)力均小于上表之值許用應(yīng)力，故船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的。

5 結(jié)論

1) 兩種典型計(jì)算工況的最大應(yīng)力均發(fā)生在艙口角隅處，雙層底部分最大應(yīng)力也均發(fā)生在內(nèi)底、橫艙壁和第2根旁桁材相交處。這與同類(lèi)江海通航實(shí)船使用中的反饋情況極為相符。在設(shè)計(jì)同類(lèi)船舶時(shí)合理設(shè)計(jì)艙口角隅，適當(dāng)增加第2根旁桁材的厚度或合理設(shè)計(jì)內(nèi)底、橫艙壁和第2根旁桁材相交處的節(jié)點(diǎn)，對(duì)改善江海通航貨船的強(qiáng)度是必要的和有利的。

2)從有限元計(jì)算結(jié)果看，整個(gè)貨艙段的應(yīng)力水平不是太高，可采用有限元直接計(jì)算對(duì)原船結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可達(dá)到節(jié)省鋼料提高載貨量的目的，從而可提高該船的經(jīng)濟(jì)性。

3)由于該船是按CCS海船規(guī)范設(shè)計(jì)的江的從武鋼到北侖特定航線(xiàn)的江海通航船，從該船營(yíng)運(yùn)近10年的情況良好看，該船結(jié)構(gòu)有一定的裕度。建議制定一種適合此特定航線(xiàn)的、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)適中的江海通航船的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 趙耕賢.船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[J].船舶, 2000(6): 22-35.

[2] 巴斯諾夫B A.有限元法在船舶結(jié)構(gòu)計(jì)算中的應(yīng)用[M].北京： 國(guó)防工業(yè)出版社, 1977.

[3] 中國(guó)船級(jí)社.散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析指南[M].北京： 人民交通出版社, 2003.

[4] 顧曄昕，詹志鵠，湯明文，等.集裝箱船整船結(jié)構(gòu)三維有限元強(qiáng)度分析方法研究[J].中國(guó)造船，2001，42(3)：15-21.