(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(滿載出港和壓載到港)進(jìn)行強(qiáng)度分析。
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、結(jié)構(gòu)對(duì)稱,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]。
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)生的幾何非線性效應(yīng),所有的計(jì)算都按線彈性理論;
2) 不考慮立體艙段的線型的變化,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.
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。
1) 縱中剖面上節(jié)點(diǎn)施加對(duì)稱邊界條件[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
1) 滿載出港。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。
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。
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 滿載出港艙口圍板應(yīng)力云
圖5 滿載出港內(nèi)底板應(yīng)力云
圖6 滿載出港剪切應(yīng)力云
圖7 滿載出港梁應(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。
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。
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)度是滿足設(shè)計(jì)要求的。
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.