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(1.中國船級社，北京 100007;2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,武漢 430063)

27 000 DWT化學(xué)品/成品油船是按照《雙殼油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》(common structural rules for double hull oil tankers，CSR)[1]要求設(shè)計的油船。采用MSC Patran/Nastran和中國船級社開發(fā)的CSR計算軟件CCS-Tools，對27 000 DWT化學(xué)品/成品油船貨艙結(jié)構(gòu)進行了屈服強度評估和屈曲強度評估，同時對高應(yīng)力區(qū)域做了細化網(wǎng)格有限元分析。

1 船舶主尺度和主要參數(shù)

該船為雙底、雙殼、單甲板油船，縱橫艙壁均為槽形艙壁，不設(shè)底凳和頂?shù)?。貨艙區(qū)共12個貨艙，一道中縱艙壁。航行中無風(fēng)暴壓載。

總長176.20 m；垂線間長168.00 m；

型寬27.00 m；型深14.00 m；

設(shè)計吃水9.00 m；結(jié)構(gòu)吃水9.20 m。

2 有限元模型

2.1 常規(guī)網(wǎng)格模型

艙段分析采用6個完整貨艙的有限元模型，中部貨艙為評估對象。有限元模型的縱向范圍覆蓋6個貨艙和4道橫艙壁。模型兩端為垂直平面，包含端面的強框架?？紤]到載荷的不對稱性，有限元模型應(yīng)包括船體的左舷和右舷及整個型深。建模包括所有的縱向和橫向主要構(gòu)件:內(nèi)殼和外板結(jié)構(gòu)、雙層底肋板和縱桁系統(tǒng)、橫向強框架、槽型縱橫艙壁。構(gòu)件上所有的板材和骨材、包括腹板加強筋，都應(yīng)模型化。

該船建立了第3、4、5(P&S)共6個艙的模型，見圖1。粗網(wǎng)格評估時有212 929個自由度，39 325個節(jié)點，15 323個梁單元，9 984個桿單元，43 491個四邊形單元，1 369個三角單元。

圖1 常規(guī)網(wǎng)格模型

CSR規(guī)范對于油船采用高級屈曲方法。軸向壓應(yīng)力和剪應(yīng)力分布應(yīng)從有限元分析得到并施加于屈曲模型。

2.2 細化網(wǎng)格模型

《CSR油船規(guī)范》指定了必須細化的部位，除這些要求細化的部位外，如果結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位的應(yīng)力水平超出艙段分析驗收衡準(zhǔn)，或者艙段有限元模型不足以反映結(jié)構(gòu)細節(jié)的幾何形狀，也應(yīng)進行細化分析。

細化網(wǎng)格區(qū)域的網(wǎng)格尺寸應(yīng)不大于50 mm×50 mm。細化網(wǎng)格區(qū)域的范圍在校核區(qū)域的所有方向應(yīng)不少于10個單元。細化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的所有板材應(yīng)以殼單元表示。網(wǎng)格密度的過渡應(yīng)保持平穩(wěn)。細化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)單元的長寬比應(yīng)盡可能保持接近1，應(yīng)避免網(wǎng)格密度的變化和三角形單元的使用。任何情況下，單元的長寬比應(yīng)不超過3。細化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的扶強材應(yīng)使用板單元建模。細化網(wǎng)格區(qū)域外的扶強材可使用梁單元建模。

由于《CSR油船規(guī)范》要求細化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)單元的建模厚度應(yīng)基于凈厚度，即總厚度減去全部腐蝕增量厚度tcorr。細化網(wǎng)格區(qū)域外單元的建模厚度應(yīng)基于艙段有限元分析中使用的總厚度減去一半腐蝕增量0.5tcorr的縮減厚度，所以細化分析時采用把細化網(wǎng)格模型嵌入艙段有限元模型中進行。

對位于中間艙的典型強框架關(guān)鍵部位的大肘板趾部和開孔、底邊艙上折角、縱向槽型艙壁與內(nèi)底和雙層底支撐結(jié)構(gòu)相交處進行細化分析。底邊艙上折角和下折角細化網(wǎng)格模型見圖2。

圖2 底邊艙上折角和下折角細化網(wǎng)格模

3 計算工況

屈服強度評估的標(biāo)準(zhǔn)工況按CSR附錄B選??；屈曲強度評估采用CSR附錄D的高級屈曲方法，其中艙壁槽條的局部屈曲和主要支撐構(gòu)件開孔處的腹板局部屈曲按CSR第10節(jié)的衡準(zhǔn)進行評估。

由于評估項目繁多、工況復(fù)雜，各船級社紛紛開發(fā)自動加載程序。該船計算采用CCS研發(fā)中心開發(fā)的CCS-Tools工具，對有限元模型進行自動加載。屈服加載時，正確分組、加載完成后，進行第一次計算。計算完成讀入數(shù)據(jù)后，該程序?qū)δＰ投瞬康膹澗亍⒓袅M行修正，修正完成后，重新進行計算，所得結(jié)果才能評估各工況下構(gòu)件的屈服強度；屈曲評估是在屈服計算的基礎(chǔ)上采用高級屈曲的方法進行計算。

4 結(jié)果分析

4.1 整體艙段有限元分析

4.1.1 屈服強度

《CSR規(guī)范》要求對構(gòu)件的Von Mises相當(dāng)應(yīng)力作評估，提出利用因子的概念。在不同的載荷組合下利用因子不同，且不同結(jié)構(gòu)處的利用因子也不相同。通過計算分析發(fā)現(xiàn)，由于本船不設(shè)頂?shù)实椎?，與槽型艙壁相交的甲板和內(nèi)底板部分應(yīng)力偏大，橫向和縱向槽型艙壁相交處應(yīng)力偏大。本船屈服強度不夠的結(jié)構(gòu)，采用增加板厚的方法降低其應(yīng)力水平或提高鋼級增加其應(yīng)力評估標(biāo)準(zhǔn)，從而滿足規(guī)范要求。

計算中充分利用CCS-Tools提供的屈服評估工具，在生成的JTP-Ratio 結(jié)果中，可以清晰地看到構(gòu)件的應(yīng)力與屈服應(yīng)力和許用屈服利用因子的比值。比值大于1， 即為不滿足規(guī)范要求。

該船不設(shè)底凳結(jié)構(gòu)，艙壁及其支撐處構(gòu)件許用應(yīng)力減少10%。由于開孔采用等效板厚處理，不滿足粗網(wǎng)格評估衡準(zhǔn)的區(qū)域?qū)⒂杉毣笤僮鲈u估。

船體構(gòu)件的 JTP-Ratio 最大比值見表1，其中艙室邊界結(jié)構(gòu)1(非槽型艙壁構(gòu)件)最終板厚下最嚴(yán)重工況的 JTP-Ratio比值云圖見圖3。

表1 船體構(gòu)件的 JTP-Ratio 最大比值

圖3 艙室邊界結(jié)構(gòu)1(非槽型艙壁構(gòu)件)

4.1.2 屈曲強度

《CSR油船規(guī)范》屈曲強度評估采用高級屈曲的方法。所考察的板格數(shù)量大、工況多，計算耗時長。通過對該船的計算分析，貨艙中部區(qū)域板格的屈曲利用因子較大。對屈曲強度不滿足的構(gòu)件除了增加板厚外，加筋將板格變小也是很有效的方法。為嚴(yán)格控制空船重量，需要合理地選擇加厚區(qū)域，逐步增加板厚，經(jīng)計算后確定最終的板厚。CCS開發(fā)的CSR油船屈曲評估工具可以同時顯示所有工況中屈曲利用因子最大的工況，便于查看分析。

圖4給出最終板厚下船底板的各個板格在各自最嚴(yán)重工況下的屈曲利用因子云圖。

圖4 船底板屈曲評

4.2 詳細應(yīng)力評估

開孔處的細化分析結(jié)果均能滿足衡準(zhǔn)要求，圖5給出強框架在載荷組合S+D情況下的最危險工況相當(dāng)應(yīng)力云圖，圖6 給出底邊艙框架開孔處的相當(dāng)應(yīng)力云圖。

5 結(jié)論

通過計算，對不符合規(guī)范要求的區(qū)域增加板厚或提高鋼級，使該船滿足共同規(guī)范。

圖5 強框架最危險工況應(yīng)力云圖(載荷組合S+D)

圖6 細化區(qū)域應(yīng)力分布云圖(底邊艙隔板)

[1] 中國船級社.雙舷油船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范[M].北京：人民交通出版社,2009.

[2] 王杰德，楊永謙.船體強度與結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社,1995.

[3] 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,1991.