浙江海洋學(xué)院 船舶與建筑工程學(xué)院 舟山 316004

礦砂船主要運(yùn)輸鐵礦石，水泥等固體貨物。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對鋼材的需求量日益增大，對鐵礦石的需求量也就越來越大，固對礦砂船的噸位和數(shù)量要求也越來越高,設(shè)計(jì)良好的礦砂船船體結(jié)構(gòu)也是造船業(yè)追求的目標(biāo)。由于鐵礦石、水泥等密度較大，因此對礦砂船船體主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算[1]，是保障船舶安全營運(yùn)的關(guān)鍵。

以一艘沿海礦砂船為研究對象，該船單殼雙底，貨艙全長為55.6 m、型寬15.8 m、型深7.5 m，肋距0.65 m。全船分為兩個(gè)貨艙，貨艙舷側(cè)采用橫骨架式，雙層底采用的是縱骨架式結(jié)構(gòu)。由于強(qiáng)度的要求在雙層底內(nèi)底縱骨的跨距中點(diǎn)處設(shè)有垂直撐柱，此垂直撐柱的強(qiáng)度須進(jìn)行有限元計(jì)算，是本文校核船體主要結(jié)構(gòu)的主要對象。

1 有限元模型

1.1 船體主要結(jié)構(gòu)有限元模型

利用MSC.Patran軟件對船體主要結(jié)構(gòu)建立有限元模型。船體主要結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖1所示。根據(jù)中國船級社《散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析指南》[2],選取有限元網(wǎng)格尺寸；船體與舷側(cè)板架結(jié)構(gòu)采用板單元和梁單元模擬。模型范圍1/2艙段+1/2艙段，模型坐標(biāo)系位于內(nèi)底表面，其x軸沿船體縱向指向船艏，y軸沿船寬方向指向左舷側(cè)，見圖1所示。

圖1 有限元模

1.2 有限元模型的邊界條件

有限元模型在舷側(cè)頂端約束x、y、z三方向的平動(dòng)位移。在貨艙兩端采用RBE2做MPC，MPC聯(lián)結(jié)的所有依賴節(jié)點(diǎn)限制x、z方向的平動(dòng)位移，限制y、z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，前端的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)限制x、y、z方向的平動(dòng)位移，y、z向的轉(zhuǎn)動(dòng)，后端的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)限制y、z向的平動(dòng)位移，y、z向的轉(zhuǎn)動(dòng)，見圖2所示。

圖2 有限元模型邊界條

2 載荷工況的計(jì)算

2.1 壓力計(jì)算

(1)

式中：ρc——貨物的密度，t/m3；

Cb——方形系數(shù)；

Pi——艙內(nèi)貨物產(chǎn)生的壓力，kN/m2；

a0——與船長及航速相關(guān)的系數(shù)，

90 m≤L<300 m

hd——計(jì)算剖面到貨物頂點(diǎn)的垂直距離，m。

貨物頂面的橫剖面形狀見圖3。

圖3 貨物頂面橫向形

同時(shí)：kb—與板布置及貨物堆積形式相關(guān)的系數(shù)

kb=sin2α·tg2(45°-0.5δ)+cos2α

(2)

其中：α——板與水平面之間的夾角；

δ——貨物的休止角(礦石和煤為35°)。

2.2 舷外水壓力(滿載工況)

舷外水壓力由靜水壓力和波浪水動(dòng)壓力兩部分組成，波浪水動(dòng)壓力分布見圖4。

圖4 波浪水動(dòng)壓

在基線處：Pb=10d+1.5CwkN/m2

在水線處：Pw=3CwkN/m2

在舷側(cè)頂端處：Ps=3P0kN/m2

甲板上的水動(dòng)壓力：Pd=2.4P0kN/m2

式中:P0——水動(dòng)壓力系數(shù),

P0=Cw-0.67(D-d);

Cw——波浪系數(shù)，

90 m≤L<300 m

2.3 剪力和總縱彎矩

根據(jù)Compass軟件計(jì)算得到艙段端面的剪力和彎矩，在中拱和中垂兩種狀態(tài)中選擇危險(xiǎn)的工況進(jìn)行強(qiáng)度校核和穩(wěn)定性計(jì)算[4]。在貨艙前端的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)上加垂直向上的剪力8 268.5 kN，水平方向指向右舷側(cè)的彎矩2.18×1011N·m；貨艙后端的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)上加垂直向下的剪力7 945.6 kN，水平方向指向左舷側(cè)的彎矩9.733 9×1010N·m。

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 強(qiáng)度計(jì)算

強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 礦砂船船體應(yīng)力和變形

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)船體板穩(wěn)定性計(jì)算原理，可以計(jì)算出船體各塊板的臨界應(yīng)力。

3.2.1 橫骨架式舷頂列板

3.2.2 橫骨架式舷側(cè)外板

3.2.3 縱骨架式船底板

由圖5看出板架最大壓應(yīng)力為33.9，在各板的臨界應(yīng)力以內(nèi)，此船體板架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性符合要求。

圖5 船體板架等效應(yīng)力云

4 分析及結(jié)論

船體主要結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度與穩(wěn)定性要求。

1) 艙段中變形最大的部位出現(xiàn)在貨艙區(qū)船中舷側(cè)區(qū)域，變形最大值為13.7 mm，且最大處附近的一片區(qū)域變形都較大,見圖6；建議在船中對應(yīng)的艙段內(nèi)增設(shè)垂直撐柱加強(qiáng)。

2) 由圖7看出，整艘船應(yīng)力分布較均勻，結(jié)構(gòu)布局比較合理，高應(yīng)力現(xiàn)象主要出現(xiàn)在船中少部分區(qū)域。

圖6 船體主要結(jié)構(gòu)變形

3) 梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大處并未出現(xiàn)在垂直撐柱上，且應(yīng)力在許用應(yīng)力以內(nèi)，可以看出的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求。在船底增設(shè)垂直撐柱能有效的減小內(nèi)底和外底的應(yīng)力。

[1] 陳鐵云，陳伯真.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1990.

[2] 中國船級社.散貨船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析[S].北京：人民交通出版社，2003.

[3] 劉冰山，黃 沖.Patran從入門到精通[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[4] 陳亞杰.鋼質(zhì)船舶建造規(guī)范質(zhì)量檢測標(biāo)注實(shí)用手冊[M].北京：中國海洋出版社，2006:1428-1433.