肖茵茨

摘要：船舶貨艙受到壓載水壓力荷載、貨物壓力荷載、舷外水壓力荷載的作用，艙段結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜。本文借助有限元軟件MSC.PATRAN/NASTRAN，對(duì)40 000 DWT散貨船貨艙結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果可以清楚表達(dá)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，為設(shè)計(jì)者提供有效設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：散貨船；艙段；有限元；應(yīng)力分布

Abstract: Since ship cargo hold is exposed to ballast water pressure load, goods pressure load and overboard water pressure load, the force on the cargo hold section is complex. This paper carries out calculation analysis on the structure of cargo hold for 40 000 DWT bulk carrier with finite element software MSC.PATRAN/NASTRAN. The result fully illustrates the stress distribution, which provides effective design experience for designer.

Key words: Bulk carrier;Cargo hold section;Finite element;Stress distribution

1概述

為了保證散貨船船體結(jié)構(gòu)在正常使用過(guò)程和一定的使用年限中具有不破壞或不發(fā)生過(guò)大變形的能力，有必要進(jìn)行船體強(qiáng)度計(jì)算。主要方法為以艙段或者整船為建模對(duì)象的有限元分析方法。但由于計(jì)算機(jī)硬件的限制，整船有限元建模方式并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用，目前占主導(dǎo)地位的是船舶艙段模型的有限元計(jì)算方法。本文根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《雙舷側(cè)散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》2004版（以下簡(jiǎn)稱《指南》）要求，對(duì)40 000 DWT散貨船貨艙區(qū)域主要構(gòu)件應(yīng)用三維有限元軟件進(jìn)行強(qiáng)度直接計(jì)算，計(jì)算載荷計(jì)及艙內(nèi)貨物載荷、舷外水載荷。

2結(jié)構(gòu)形式

40 000 DWT散貨船，貨艙區(qū)域?yàn)閱螝?、雙底結(jié)構(gòu)，肋骨間距為750 mm；雙層底高1 550 mm，強(qiáng)框架間距按3個(gè)肋位；艙口圍板、甲板、頂邊艙斜板、頂邊艙垂板、舷頂列板、舷頂下列板及11 200平臺(tái)區(qū)域采用DH36高強(qiáng)度鋼，其余部位采用普通鋼。

圖1艙段有限元模型示意圖

3 結(jié)構(gòu)有限元模型

3.1模型范圍

采用三維有限元模型，選取散貨船貨艙區(qū)的1/2個(gè)第四貨艙+1個(gè)第三貨艙+1/2第二個(gè)貨艙，艙段模型的縱向范圍從肋位FR95~FR174，垂向范圍為船體型深；由于艙段結(jié)構(gòu)和計(jì)算載荷對(duì)稱于縱中剖面，因此艙段模型取左舷，即橫向范圍為半個(gè)船體型寬，有限元模型見(jiàn)圖1。坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手坐標(biāo)系，見(jiàn)圖1所示，原點(diǎn)O位于FR95號(hào)船底中線處，x軸向船首為正方向，y軸向左舷為正方向，z軸向上為正方向。

3.2邊界條件

模型后端面，即FR174處保持平端面假設(shè)，在該剖面中和軸處建立一個(gè)獨(dú)立點(diǎn)，端面上其他節(jié)點(diǎn)與獨(dú)立點(diǎn)相關(guān)，在獨(dú)立點(diǎn)上施加彎矩；模型前端面，即FR95處保持平端面假設(shè)，在該剖面中和軸處建立一個(gè)獨(dú)立點(diǎn)，端面上其他節(jié)點(diǎn)與獨(dú)立點(diǎn)相關(guān)，在獨(dú)立點(diǎn)上施加彎矩,詳細(xì)邊界條件見(jiàn)表1。

表1邊界條件

4載荷

4.1計(jì)算工況

本文考慮應(yīng)用于所有協(xié)調(diào)附加標(biāo)志的一般裝載狀態(tài)和應(yīng)用于在港裝卸的附加裝載狀態(tài)。對(duì)于在港裝卸的附加裝載狀態(tài)，不計(jì)入波浪荷載（壓力和彎矩）的影響。詳細(xì)計(jì)算工況見(jiàn)表2。

5計(jì)算結(jié)果

5.1變形云圖

見(jiàn)圖2。

圖2中間艙段變形分布圖

5.2應(yīng)力云圖

見(jiàn)圖3。

圖3中間艙段應(yīng)力分布圖

5.3結(jié)果分析

本文運(yùn)用有限元法，先后對(duì)上述七種工況進(jìn)行直接計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：

1) 七種計(jì)算工況下，中間艙段均有較大變形，較大變形主要分布在舷側(cè)和底部。其中LC01、LC02b兩個(gè)重載工況下，艙口縱向圍板變形較大。在變形較大處，可以考慮對(duì)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行適當(dāng)處理，以抵御過(guò)大變形。

2) 較大應(yīng)力分布主要在甲板和底部。根據(jù)應(yīng)力分布情況，主甲板、艙口圍板等相應(yīng)構(gòu)件應(yīng)為高強(qiáng)度鋼，以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

3) 中間艙段的艙口角隅附近會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)此處肘板的結(jié)構(gòu)形式、厚度都應(yīng)做適當(dāng)加強(qiáng)、加厚處理。

4) 在LC12c工況下，艙段首方向端面下部應(yīng)力較為集中，但相對(duì)其他六個(gè)工況而言，應(yīng)力水平最小，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求相對(duì)較低。

5) 七種計(jì)算工況下，中間艙段均未發(fā)生屈服狀況。因此，船體結(jié)構(gòu)變形均在彈性變形范圍之內(nèi)，從而保證船體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

艙段結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)耗力的工作，需要合理地簡(jiǎn)化計(jì)算模型。建模過(guò)程中必須用合理的單元對(duì)船體構(gòu)件進(jìn)行模擬。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)者可以對(duì)應(yīng)力較為集中和變形較大的的構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化處理，選擇合適的材料和合理的結(jié)構(gòu)形式，從而進(jìn)一步改善船體結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性?？傊O(shè)計(jì)者通過(guò)直接計(jì)算，可以有針對(duì)性地改進(jìn)船體結(jié)構(gòu)，較為經(jīng)濟(jì)地使用材料；進(jìn)而提高船舶效能指數(shù)，達(dá)到綠色環(huán)保造船的目的。

表2計(jì)算工況

參考文獻(xiàn)

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