韓純強，孫 劍，伏 輝

(1.江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212003;2.上海中遠船務(wù)工程有限公司，上海 200231;3.浙江歐華造船有限公司，浙江舟山 316100)

46.8 m采石船的強度有限元分析

韓純強1，孫 劍2，伏 輝3

(1.江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212003;2.上海中遠船務(wù)工程有限公司，上海 200231;3.浙江歐華造船有限公司，浙江舟山 316100)

基于對采石船雙體特殊結(jié)構(gòu)的分析，利用MSC.PATRAN/NASTRAN軟件對46.8 m采石船全船進行總橫彎曲強度和扭轉(zhuǎn)強度有限元分析，給出邊界條件施加方法和載荷計算方法。計算結(jié)果顯示，船體主要構(gòu)件強度滿足規(guī)范要求。

總橫彎曲;扭轉(zhuǎn);采石船;強度;雙體船;有限元分析

0 引言

采石船是內(nèi)河工程船的主要船型之一。船舶不斷出現(xiàn)事故的原因主要是船體結(jié)構(gòu)強度得不到有效的保證，如果能準確的預(yù)報船體的強度，就可以預(yù)知哪種工況對船舶來說是最惡劣的，從而可以采取相應(yīng)的措施，以避免出現(xiàn)航行事故［1～5］。本文主要對46.8 m采石船的總橫彎曲強度和扭轉(zhuǎn)強度進行全船強度有限元分析，根據(jù)中國船級社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)［4］(簡稱“規(guī)范”)的要求對船體主要構(gòu)件迸行強度評估。

1 船體概述

本船為雙體船，左右片體對稱，中間有框架連接部分，不同于有一個整體甲板的雙體船。后段中間連接部分如圖1 所示，分別設(shè)于 Fr0、Fr12、Fr20、Fr40;首段中間連接部分，分別設(shè)于 Fr60、Fr68、Fr76、Fr85，如圖2所示。前后共有其中間連接部分的特殊性決定了本雙體船的特殊性。

各片體設(shè)4道橫艙壁，艙室分別設(shè)有艏尖艙、艉尖艙、泵艙和2個空艙。全船為縱骨架式，在肋位設(shè)有支柱。

圖1 尾段中間框架連接部分

本船的主尺度及主要參數(shù):

總長 46.80 m

水線長 45.00 m

垂線間長 45.00 m

計算船長 45.00 m

型寬 13.00 m

片體型寬5.00 m

圖2 首段中間框架連接部分

片體間距 8.00 m

型深 2.80 m

設(shè)計吃水 1.80 m

肋距 0.55 m

本船航行于長江B級航區(qū)J2航段，主要用于長江采石。通過以上船體概述和結(jié)構(gòu)分析，得知此船舶為具有特殊雙體結(jié)構(gòu)的特殊工程船，不同于一般的船舶。對于一般船舶，總縱強度如果滿足，其他強度不用再進行計算。而對于此類特殊工程船舶，由于是特殊的雙體結(jié)構(gòu)，其總橫彎曲強度和扭轉(zhuǎn)強度必須進行計算和校核。其總縱、總橫彎曲、扭轉(zhuǎn)強度全部符合規(guī)范的規(guī)定，強度才算滿足要求。

46.8 m采石船總布置圖如圖3所示。

圖3 46.8 m采石船總布置圖

2 計算模型

本船的主尺度比值:計算船長/型深=16.1≤25.0;型寬/型深 =4.6≤6.0，符合“規(guī)范”第10.2.1.1 條主尺度的比值規(guī)定。其總縱強度可以按照“規(guī)范”第2.2.4條及第2.2.6條的要求校核本船的總縱彎曲強度及屈曲強度，本文不再進行計算。

根據(jù)“規(guī)范”第10.1.2.3條中的規(guī)定，對于特殊船型或特殊尺度的工程船以及采用新結(jié)構(gòu)形式的工程船，其結(jié)構(gòu)尺寸除滿足本章規(guī)定外，還應(yīng)符合“規(guī)范”第14.6.3.2條的規(guī)定。本文采用直接計算方法對總橫彎曲強度和扭轉(zhuǎn)強度進行校核，建模時采用全船有限元模型。

2.1 全船有限元模型的建立

利用有限元軟件 MSC.PATRAN、MSC.NASTRAN對全船進行有限元強度建模和計算。其中艙壁、船底板、舷側(cè)板、甲板板、肘板等平板結(jié)構(gòu)用板單元模擬，肘板面板、龍骨、縱桁、扶強材、肋骨、肋板、縱骨、圓管等用梁單元模擬;其他小的骨材用梁單元模擬。有限元模型結(jié)點12 323個，單元41 362個。有限元模型如圖4所示。有限元模型的材料參數(shù):雙層底結(jié)構(gòu)采用普通235鋼，其泊松比v=0.3，彈性模量E=2.06×1 011Pa。

圖4 全船有限元模型

2.2 計算總橫彎曲時的邊界條件

對其中一個片體的底部進行施加約束，邊界條件見表1;在另外一個片體不施加約束。載荷施加在沒有約束的片體上，屬于總橫彎曲中最危險的約束條件。表1中，δ為線位移，θ為角位移。這樣在2個片體形心處施加彎矩，此時為扭轉(zhuǎn)中最危險的約束條件。

2.3 計算總橫彎曲強度時的載荷

計算載荷根據(jù)“規(guī)范”第14.6.2.2條中計算雙體船連接橋垂向剪力計算公式計算得到:

式中:Δ為雙體船的排水量，t;Q為雙體船連接橋垂向剪力，kN;s為航區(qū)系數(shù)，按“規(guī)范”中表14.6.2.1 選取。

施加的位置與方法:垂向剪力Q平均施加在另一個片體中縱剖面船底強構(gòu)件的交叉結(jié)點上。

表1 計算總橫彎曲時邊界條件

2.4 計算扭轉(zhuǎn)強度時的邊界條件

對雙體船連接橋的中心節(jié)點上施加全位移約束，邊界條件見表2。這樣在2個片體形心處施加彎矩，此時為扭轉(zhuǎn)中心最危險的約束條件。

2.5 計算扭轉(zhuǎn)強度時的載荷

計算載荷根據(jù)“規(guī)范”第14.6.2.3條中計算雙體船扭矩計算公式計算得到:

式中:Ca為水線面修正系數(shù)，按“規(guī)范”中表14.6.2.3確定;b、b1分別為雙體船片體寬度和連接橋?qū)挾?，m;d為滿載吃水，m;r為計算半波高，m，按“規(guī)范”第14.2.3.1條確定;L為雙體船的計算船長，m;▽為雙體船的排水量，t。

施加的位置與方法:在片體形心處建立獨立點，將獨立點所在的縱向平面內(nèi)的各節(jié)點與獨立點進行剛性關(guān)聯(lián)，然后在剛性點處施加扭矩。

3 有限元計算結(jié)果

在計算結(jié)果中需要分析 σL、σe、σZ和 τ4個應(yīng)力，具體如下:

σL為強力甲板、船底板及舷側(cè)板單元中面沿船長應(yīng)力，MPa;σe為板單元表面相當應(yīng)力，MPa;σZ為梁構(gòu)件單元節(jié)點合成應(yīng)力，MPa;τ為板或梁構(gòu)件的剪應(yīng)力，MPa。

表2 計算扭轉(zhuǎn)強度時邊界條件

3.1 總橫強度應(yīng)力分析

圖5、圖6為部分主要構(gòu)件受最大應(yīng)力云圖。

圖5 船底板、強力甲板及舷側(cè)板單元表面相當應(yīng)力云圖

由總縱彎曲強度計算結(jié)果和應(yīng)力云圖可以看出:橫艙壁板的板單元表面相當應(yīng)力、片體前后連接部位梁構(gòu)件單元節(jié)點合成應(yīng)力相對較大，這2個構(gòu)件比較危險，但在這條船中都滿足規(guī)范要求。除了這2個構(gòu)件外，其他構(gòu)件應(yīng)力較小，相對更安全。

圖6 片體連接部位單元節(jié)點合成應(yīng)力云圖

3.2 扭轉(zhuǎn)強度應(yīng)力分析

許用應(yīng)力與實際應(yīng)力對應(yīng)計入，圖7、圖8為部分主要構(gòu)件受最大應(yīng)力云圖。

圖7 船底板、強力甲板及舷側(cè)板單元表面相當應(yīng)力云圖

圖8 片體連接部位單元節(jié)點合成應(yīng)力云圖

通過扭轉(zhuǎn)強度計算結(jié)果和應(yīng)力云圖可以得知:強橫梁、實肋板、強肋骨、片體前后連接部位梁構(gòu)件單元節(jié)點合成應(yīng)力相對較大，這些部位比較危險，但都符合規(guī)范要求。其他構(gòu)件應(yīng)力較小，相對也更安全。

4 結(jié)論

此類特殊雙體船必須進行總橫彎曲強度和扭轉(zhuǎn)強度的計算校核。計算結(jié)果顯示，全船各主要構(gòu)件總橫彎曲強度和扭轉(zhuǎn)強度滿足規(guī)范要求。總橫彎曲強度計算結(jié)果表明，在2個片體連接部位的應(yīng)力較大，比較危險，在設(shè)計時應(yīng)特別注意，考慮適當加強。目前，船體強度是船舶航行安全的重要保證，因而對于設(shè)計的船舶，必須進行強度校核。這樣可以預(yù)知哪些構(gòu)件、哪些區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在設(shè)計階段可采取加大尺寸、改變結(jié)構(gòu)等措施，提高危險部件的強度，從而保證全船的強度，最大程度來減少潛在的不安全因素。

［1］ 田桂新，張鋼.散貨船的船體結(jié)構(gòu)強度與安全［J］.青島遠洋船員學(xué)院學(xué)報，2006，(2):44-47.

［2］ 李開榮，王青春.散貨船海事發(fā)生原因及對策［J］.天津航海，1999，(2):1-4.

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

［4］ 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.

［5］ 侯淑芳，周志軍.散貨船總縱強度的有限元分析［J］.南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2011，10(3):42-46.

U661.43

A

2012-07-20

韓純強(1985-)，男，碩士研究生，研究方向為船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計與制造;孫劍(1984-)，男，助理工程師，研究方向為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造;伏輝(1984-)，男，助理工程師，研究方向為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造。