摘 要：本文主要闡述為滿足油船CSR（共同結(jié)構(gòu)規(guī)范）要求，進(jìn)行油船的有限元分析。文中選用了比較典型的雙殼油船貨艙結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行有限元分析，為油船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：油船；艙段；CSR（共同結(jié)構(gòu)規(guī)范）；有限元分析

中圖分類號(hào)：663.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

在油船設(shè)計(jì)中，按照CSR（共同結(jié)構(gòu)規(guī)范）要求，船長(zhǎng)150 m及以上的船舶必須用有限元分析對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估。按規(guī)范要求，分析應(yīng)包括三艙段有限元強(qiáng)度分析（粗網(wǎng)格）、詳細(xì)應(yīng)力分析（細(xì)網(wǎng)格）、熱點(diǎn)應(yīng)力分析（精細(xì)網(wǎng)格）。建模使用通用軟件MSC patran/nastran，ABS safeship TSA加邊界條件及載荷?，F(xiàn)對(duì)某型70 000 噸級(jí)油船進(jìn)行具體有限元分析。

2 建模要求

規(guī)范要求中部艙段有限元（FE）模型的縱向范圍應(yīng)覆蓋船中三個(gè)貨艙長(zhǎng)度。當(dāng)中部貨油艙區(qū)域的艙室長(zhǎng)度不同時(shí)，有限元模型的中間貨艙的長(zhǎng)度應(yīng)取最長(zhǎng)貨油艙的長(zhǎng)度。模型兩端應(yīng)包括橫艙壁。當(dāng)貨艙設(shè)置槽形橫艙壁時(shí)，模型前后端應(yīng)包括槽形橫艙壁的完整壁凳結(jié)構(gòu)，前后端超出端部橫艙壁的模型長(zhǎng)度應(yīng)相等，模型端部的強(qiáng)框架應(yīng)一并建模，根據(jù)要求，本船的三艙段模型范圍為FR80～FR161，包含三、四、五貨艙段，水密橫艙壁為FR83、FR107、FR131、FR155。

圖1為本船典型橫剖面圖，雙殼雙底，有一道中縱艙壁，有限元需要模擬所有縱向和橫向主要構(gòu)件，這些構(gòu)件包括：內(nèi)殼和外板結(jié)構(gòu)、雙層底肋板和縱桁系統(tǒng)、橫向強(qiáng)框架和垂直桁材、水平桁材、橫艙壁和縱艙壁。構(gòu)件上所有的板材和骨材、包括腹板加強(qiáng)筋，都應(yīng)模型化。

圖1 典型橫剖面

對(duì)模型中的船體外板、內(nèi)底、雙層底肋板及桁材、橫向主要構(gòu)件、甲板采用四節(jié)點(diǎn)板殼單元模擬，單元長(zhǎng)寬比不大于4：1。在高應(yīng)力區(qū)和高應(yīng)力變化區(qū)，盡可能避免使用三角形單元。對(duì)于承受水壓力和貨物壓力的各類板上的扶強(qiáng)材以及縱桁、強(qiáng)橫梁等主要構(gòu)件上的面板和加強(qiáng)筋用二節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M，T型材腹板采用桿單元模擬，有限元模型的網(wǎng)格盡量遵從骨材實(shí)際排列規(guī)律，本船中橫向按照縱骨劃分，縱向按肋板間距四等份劃分，典型橫剖面網(wǎng)格及三艙段粗網(wǎng)格模型如圖2。

圖2 有限元模型

3 模型邊界條件

三維有限元模型兩端用彈簧支撐反映其所受剪力，總體坐標(biāo)系y自由度上有剛度的彈簧單元應(yīng)沿甲板、內(nèi)底板和外底板節(jié)點(diǎn)上施加，總體坐標(biāo)系z(mì)自由度上有剛度的彈簧單元應(yīng)沿舷側(cè)板、內(nèi)殼板和油密縱艙壁的垂直部分處節(jié)點(diǎn)上施加，如圖3。在模型中， 彈簧用桿單元模擬，桿單元的等效橫剖面面積為（c·l）/E，其中l(wèi)為桿單元的長(zhǎng)，桿單元的一端所有6個(gè)自由度均約束。

圖3 模型端部的彈簧約束

4 ABS safeship軟件加載及生成邊界條件

模型建完后，即可導(dǎo)入ABS safeship 軟件的TSA模塊中進(jìn)行加載及邊界條件：

（1）模型檢查。在TSA中，使用工具Global-FEA工具欄model check進(jìn)行檢查，一般查看是否有重復(fù)節(jié)點(diǎn)、重復(fù)面單元或線單元、模型是否存在不合要求的單元、是否存在錯(cuò)誤定義，沒(méi)有問(wèn)題后即可進(jìn)行下步操作。

（2）導(dǎo)入有限元模型。通過(guò)工具translate FE model，導(dǎo)人模型。

（3）輸入基本參數(shù)，如圖4。工具prepare loading inputs，輸入本船基本參數(shù)，為后續(xù)加載提供準(zhǔn)備條件。

（4）自動(dòng)加邊界條件，search tank boundaries。

（5）自動(dòng)加載，生成load case。

Patran中也可以加載荷，但是由于CSR的頒布，使得工況更為復(fù)雜，手工形成工況非常繁瑣，而且也容易出錯(cuò)，現(xiàn)在各船級(jí)社都開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的軟件用于加載，本船就是使用ABS safeship 軟件的TSA模塊加載。完成加載后，可以很容易看到各工況下的壓力分布（圖5）、各橫剖面的壓力分布（圖6）、剪力彎矩曲線（圖7）等。

圖4 基本參數(shù)

圖5 艙室壓力分布云圖

圖6 橫剖面壓力分布

圖7 剪力彎矩曲線

（6）分析。TSA軟件計(jì)算分析調(diào)用的是nastran，在file-prefence中可以設(shè)置關(guān)聯(lián)，分析完成后，可以得到.OP2類型的結(jié)果文件，結(jié)果可以在TSA中直接看到，如圖8、圖9所示，也可以回到patran中查看，一般情況都是在patran中看結(jié)果，因?yàn)椴僮鹘缑娓鼮橹庇^。

圖8 某工況下全船應(yīng)變圖

圖9 肋板應(yīng)力分布

5 結(jié)果查看

油船的應(yīng)力一般集中在艙段有限元模型中部艙的典型橫向強(qiáng)框架與底邊艙上折角連接處，如圖10、圖11、圖12。

圖10 應(yīng)力集中處

圖11 典型橫艙壁應(yīng)力云圖

圖12 水平桁應(yīng)力云圖

三維有限元艙段分析結(jié)果表明， 應(yīng)力集中部位的應(yīng)力往往超過(guò)220 N/mm2， 因此在這些部位設(shè)計(jì)時(shí)可采取以下措施：強(qiáng)橫梁和水平撐材端部肘板的趾端應(yīng)加厚， 趾端處應(yīng)設(shè)置軟趾；強(qiáng)橫梁、水平撐材與縱艙壁垂直桁材連接處應(yīng)以圓弧連接， 向平直部分過(guò)渡應(yīng)以切線過(guò)渡， 避免產(chǎn)生折角；在雙層底處， 縱艙壁垂直桁的背面應(yīng)設(shè)置支撐肘板。

TSA也提供了篩選需要細(xì)化區(qū)域的功能，這些部位即為規(guī)范要求需要做細(xì)網(wǎng)格的區(qū)域，這次計(jì)算只做到了粗網(wǎng)格，詳細(xì)應(yīng)力分析和疲勞應(yīng)力分析需要根據(jù)粗網(wǎng)格的篩選結(jié)果繼續(xù)往下分析。

6 結(jié)束語(yǔ)

按照船舶設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)結(jié)構(gòu)的要求越來(lái)越嚴(yán)，使得有限元計(jì)算已經(jīng)不是構(gòu)件計(jì)算的參考，而是確定構(gòu)件尺寸不可缺少的部分，而且執(zhí)行CSR規(guī)范使得船舶設(shè)計(jì)工作量增加，設(shè)計(jì)周期延長(zhǎng)。直接計(jì)算工況多達(dá)幾十種，必須要依靠船級(jí)社的有限元軟件才能完成，還增加了細(xì)化、疲勞的工作，使設(shè)計(jì)工作量進(jìn)一步加大，所以要提高設(shè)計(jì)水平，掌握有限元分析以及相應(yīng)的軟件是非常有必要的。