王建勛

(鎮(zhèn)江市地方海事局,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

3 000 t化學(xué)品船貨艙段有限元強(qiáng)度直接計(jì)算

王建勛

(鎮(zhèn)江市地方海事局,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

按照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)要求對 3 000 t化學(xué)品船的貨艙段區(qū)域利用 MSC.PATRAN/NASTRAN軟件進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析,給出邊界條件施加方法和載荷計(jì)算方法。結(jié)果顯示貨艙段各構(gòu)件均滿足規(guī)范要求,最后就一些問題做了初步的分析討論。

化學(xué)品船;有限元;貨艙段;強(qiáng)度分析

0 引言

化學(xué)品船是一種設(shè)計(jì)和建造難度較大的高技術(shù)、高附加值船型。隨著化學(xué)工業(yè)滲透到人類社會生活的每一個領(lǐng)域,人們對化工產(chǎn)品的需求越來越明顯。對于化工企業(yè),它所需的原料及其產(chǎn)品的運(yùn)輸量日益增加,這就相應(yīng)地促進(jìn)了化學(xué)品船的發(fā)展。大多數(shù)化學(xué)品船的貨艙區(qū)域采用碳鋼加特殊涂料制造。采用不銹鋼貨艙的化學(xué)品船,由于其耐腐蝕、易保養(yǎng)、便于洗艙,因而越來越受到船東的歡迎。本文根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)對某 3 000 t化學(xué)品船 6種工況下貨艙區(qū)域的主要構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度評估。

《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)第 6章“油船船體結(jié)構(gòu)補(bǔ)充規(guī)定”第 9節(jié)“縱桁架”中規(guī)范規(guī)定,油船應(yīng)在貨油艙區(qū)域內(nèi)設(shè)置連續(xù)雙向縱桁架,縱桁架之間或縱桁架與舷側(cè)或縱艙壁之間的距離應(yīng)不大于 4 m。本船的船體結(jié)構(gòu)設(shè)置不滿足規(guī)范中這款要求,故按《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)第 14章“結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算補(bǔ)充規(guī)定”(簡稱“補(bǔ)充規(guī)定”)中的相關(guān)要求進(jìn)行有限元強(qiáng)度的計(jì)算及校核。

1 船體說明及有限元模型

1.1 船體說明

3 000 t化學(xué)品船為鋼質(zhì)、單甲板、尾機(jī)型、傾斜式首柱、雙機(jī)、雙槳、雙流線型舵、柴油機(jī)推進(jìn)的化學(xué)品船。船型為 2型,液貨艙任何部位距船體外板處都不小于 760 mm,艙型船舶為 2G,即整體重力液貨艙。本船采用液貨艙區(qū)域?yàn)榭v骨架式、設(shè)圍井,中部水平高度 650 mm。艏、艉、機(jī)艙為橫骨架式結(jié)構(gòu)。本船裝載苯、甲苯、苯胺、甲醇、乙酸丁酯、乙酸乙酯、丁醇、乙醇等比重 1.025 t/m3以下的化學(xué)品。本船航行于長江 A、B航區(qū)及 J 2級航段。貨艙區(qū)域?yàn)殡p殼、雙底結(jié)構(gòu),肋距為 600 mm,雙層底高 850 mm,強(qiáng)框架間距 1 800 mm,設(shè)有 6根雙層底縱桁。船舶總長 94.80 m,滿載水線長 92.32 m,垂線間長 90.50 m,型寬 16.20 m,型深 4.90 m,設(shè)計(jì)吃水 3.80 m。本船內(nèi)底、內(nèi)殼及膨脹甲板均采用 304L不銹鋼。

3 000 t化學(xué)品船總布置圖如圖1所示。

1.2 有限元模型

3 000 t化學(xué)品船為左右對稱結(jié)構(gòu),貨艙區(qū)設(shè)置槽型橫艙壁和槽型中縱艙壁。整個模型取 1/2(第3號貨艙)+1(第 4號貨艙)+1/2(第 5號貨艙)。模型范圍:縱向從 Fr 55～Fr 92肋位;橫向?yàn)檎麄€船寬;垂向?yàn)檎麄€型深(含膨脹甲板)。模型甲板、舷側(cè)板、舭列板、船底板、內(nèi)底板、橫艙壁板、縱艙壁板、肋板、縱桁以及各強(qiáng)構(gòu)件腹板均采用二維 3、4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬,其他縱骨、加強(qiáng)筋以及強(qiáng)構(gòu)件面板等用2節(jié)點(diǎn)梁單元模擬。

本模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為 8 600,單元數(shù)為 16 641。模型材料 1:普通鋼,彈性模量為 2.06×105MPa,泊松比 0.3,密度 7.85 t/m3,屈服強(qiáng)度 235 MPa。模型材料 2:304L不銹鋼,彈性模量為 2.05×105MPa,泊松比 0.3,密度 7.85 t/m3,屈服強(qiáng)度 205 MPa。

有限元模型如圖2～圖4所示。

1.3 邊界條件

根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)對于船體中部艙段有限元模型,邊界條件如下:在兩端面中和軸與中縱剖面交點(diǎn)處各建立一個獨(dú)立點(diǎn) N1、N2,端面上的各節(jié)點(diǎn)與獨(dú)立點(diǎn)進(jìn)行剛性關(guān)聯(lián)。在獨(dú)立點(diǎn)N1、N2上分別施加線位移約束:即 u1x=u1y=u1z=0,在另一端面所有節(jié)點(diǎn)上施加橫向、垂向線位移約束,即 u2y=u2z=0。邊界示意圖如圖5所示。

圖1 3 000 t化學(xué)品船總布置圖

圖2 整體有限元模型

圖3 隱去膨脹甲板后的有限元模型

圖5 邊界條件示意圖

1.4 計(jì)算工況及荷載

1.4.1 計(jì)算工況及模型載荷

根據(jù) 3 000 t化學(xué)品船穩(wěn)性計(jì)算書及“補(bǔ)充規(guī)定”中的相關(guān)要求,計(jì)算工況見表1。

表1 計(jì)算工況

1.4.2 滿載、壓載工況靜波面位置確定

按“補(bǔ)充規(guī)定”第 14.2.3.1條中的相關(guān)規(guī)定,A級航區(qū)計(jì)算半波高為 r=1.25 m,按坦谷波理論進(jìn)行計(jì)算。坦谷波波面到波軸線垂向坐標(biāo)為:式中:r為半波高,取 r=h/2=1.25 m;h為波寬,h=2.5 m;λ為波長,λ=L=90.5 m,L為船長。

船舶由靜水進(jìn)入波浪,其浮態(tài)會發(fā)生變化。若以靜水線作為坦谷波的軸線,當(dāng)船中位于波谷時,由于坦谷波載波軸線以上的剖面積比軸線以下的剖面積小,同時船體中部又較兩端豐滿,所以船在此位置時的浮力要比在靜水中小,因而不能處于平衡,船舶將下沉 ξ值,ξ為尾垂線處較靜水時的沉值;而當(dāng)船中在波峰時,一般船舶要上浮一些。另外,由于船體首、尾線型不對稱,船舶還將發(fā)生縱傾變化。為了求靜波浪剪力和彎矩,首先必須確定船舶在波浪上的平衡位置。

(1)滿載出港(貨物密度 0.844 t/m3及 1.025 t/m3)時中垂?fàn)顟B(tài)靜波面計(jì)算

取滿載出港為計(jì)算載況,首吃水 df0=3.753 m,尾吃水 da0=3.841 m,波軸線移動距離 ε=0.5 m。

滿載出港靜波面計(jì)算過程見表2。

計(jì)算得∑2、∑3、∑5、∑6、∑7,并代入下列方程式:

代入方程可得波軸線移動參數(shù):

可得中垂?fàn)顟B(tài)下船舶平衡的首、尾吃水:

(2)壓載出港中拱狀態(tài)靜波面計(jì)算

壓載出港時,首吃水 df0=2.298 m,尾吃水 dao=2.758 m,ε=-0.5 m。

2 許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

許用應(yīng)力衡準(zhǔn)是根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)中表14.3.6.6選取,普通鋼結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力見表3。304L不銹鋼結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力見表4。表中:σe為板單元表面相當(dāng)應(yīng)力;σl為板單元中面沿船長方向應(yīng)力;σz為梁單元節(jié)點(diǎn)合成應(yīng)力,+σz表示組合拉應(yīng)力,-σz表示組合壓應(yīng)力;τ為板單元剪應(yīng)力。

表2 滿載出港靜波面計(jì)算過程

表3 普通鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力衡準(zhǔn)

表4 304L不銹鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力衡準(zhǔn)

3 計(jì)算結(jié)果

應(yīng)力評估區(qū)域選取第 4號貨艙 Fr 64橫艙壁到Fr 84橫艙壁之間主要結(jié)構(gòu)。6種工況下第 4號貨艙段的應(yīng)力云圖如圖6～圖11所示。

4 結(jié)語

化學(xué)品船由于承運(yùn)貨品危險(xiǎn)性大,牽涉到的防火、防爆、防污染條款比較多,對于結(jié)構(gòu)布置、強(qiáng)度校核及材料選取造成很大影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在方案設(shè)計(jì)階段充分考慮相關(guān)條款的限制條件,對于完善設(shè)計(jì)是非常重要的。

從有限元計(jì)算結(jié)果看,整個貨艙段的應(yīng)力水平不是太高。通過找出強(qiáng)度不足的構(gòu)件適當(dāng)加強(qiáng),強(qiáng)度過剩的構(gòu)件適度減小,從而達(dá)到材料的合理分配和使用,可達(dá)到節(jié)省鋼材、降低船舶自重、提高載貨量的目的,進(jìn)而提高該船的經(jīng)濟(jì)性。

在 L C 1工況中,貨艙第 1號和第6號滿載,其余艙空載,此時船舶處于最大中拱狀態(tài)。因此,在 L C 1工況中,絕大部分板單元或梁單元的應(yīng)力值最大,但均滿足規(guī)范要求。本船的液貨區(qū)中縱油密艙壁和橫向油密艙壁均為槽型艙壁,槽型艙壁一般為軋制而成,存在殘余應(yīng)力,本文未考慮此因素。

[1]王杰德,楊永謙,等.船體強(qiáng)度與及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995.

[2]中國船級社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范(2009)[M].北京:人民交通出版社,2009.

[3]余遠(yuǎn)明.化學(xué)品船槽型艙壁節(jié)點(diǎn)形式研究[J].船海工程,2004,(5):16-18.

[4]韓海林,孫莉.3 000t化學(xué)品船設(shè)計(jì)[J].江蘇船舶,2009,26(5):10-13.

U661.43

A

2010-06-10

王建勛(1967-),男,工程師,主要從事審圖工作。