朱國(guó)鋒

(南京市地方海事局, 江蘇 南京 210036)

關(guān)于內(nèi)河貨船典型機(jī)艙局部強(qiáng)度的思考和建議

朱國(guó)鋒

(南京市地方海事局, 江蘇 南京 210036)

圍繞內(nèi)河貨船典型機(jī)艙局部強(qiáng)度進(jìn)行了研究，給出了實(shí)肋板規(guī)范計(jì)算的過程，對(duì)目前爭(zhēng)議較大的實(shí)肋板跨距進(jìn)行了重點(diǎn)探討，采用有限元建模計(jì)算建立了機(jī)艙三維有限元模型，選取滿載出港工況，并計(jì)及半波高的影響，根據(jù)規(guī)范施加合適的邊界條件進(jìn)行了有限元分析。最后對(duì)此類船舶直接計(jì)算的計(jì)算方案和注意事項(xiàng)給出了幾點(diǎn)建設(shè)性意見。

內(nèi)河船；應(yīng)力；局部強(qiáng)度；實(shí)肋板

0 引言

近年來，以長(zhǎng)江干線船舶為代表的干散貨船的設(shè)計(jì)及建造技術(shù)取得了一定進(jìn)展，航行于長(zhǎng)江干線的船舶絕大多數(shù)為淺吃水肥大型雙機(jī)雙尾結(jié)構(gòu)。目前江蘇省內(nèi)河貨船設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)單位和武漢規(guī)范所關(guān)于內(nèi)河貨船機(jī)艙實(shí)肋板尺寸的確定進(jìn)行過多次探討，特別考慮到實(shí)肋板跨距選取值對(duì)剖面模數(shù)影響很大，根據(jù)規(guī)范可以得知，其與跨距的平方成正比，如依據(jù)現(xiàn)今規(guī)范，實(shí)肋板腹板高度需要取得較大才能滿足規(guī)范要求。

作者長(zhǎng)期從事船舶檢驗(yàn)和審圖工作，對(duì)規(guī)范中關(guān)于機(jī)艙實(shí)肋板跨距的選取也進(jìn)行過深入思考。本文依據(jù)中國(guó)船級(jí)社CCS《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)及《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范修改通報(bào)》(2012) (以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)第14章“結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算補(bǔ)充規(guī)定”第7節(jié)“局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算”的相關(guān)規(guī)定，采用有限元直接計(jì)算的方法對(duì)機(jī)艙局部強(qiáng)度進(jìn)行了分析，并對(duì)直接計(jì)算方法提出了幾點(diǎn)建設(shè)性意見。

1 內(nèi)河貨船典型機(jī)艙實(shí)肋板規(guī)范計(jì)算

本文選取的內(nèi)河貨船量度為：總長(zhǎng)109.80 m，兩柱間長(zhǎng)103.60 m，型寬20.80 m，型深 8.60 m，設(shè)計(jì)吃水7.80 m，肋距0.60 m，縱骨間距0.52 m(艏艉區(qū)域見圖1、圖2)，貨物積載因素≥0.5 m3/t。本船采用雙殼結(jié)構(gòu)，貨艙區(qū)為縱骨架式結(jié)構(gòu)，艏、艉部分為橫骨架式，設(shè)置2個(gè)長(zhǎng)大開口貨艙。

按照規(guī)范，實(shí)肋板剖面模數(shù)W應(yīng)不小于按下列計(jì)算所得之值：

W=Ks(fd+r)l2

式中：s為實(shí)肋板間距，m；f為系數(shù)，按規(guī)范2.5.2.2(1)選?。籨為吃水，m；r為半波高，m；l為實(shí)肋板跨距，m，取兩舷側(cè)(或內(nèi)舷板)之間的距離，或舷側(cè)(內(nèi)舷側(cè))與中縱艙壁之間的距離；K為內(nèi)龍骨修正系數(shù)，K=a(l1/l-1.1)+b，其中 ，a、b為系數(shù)，按規(guī)范表2.5.2.2(2)選?。籰1/l為艙長(zhǎng)比，l1為艙底平面長(zhǎng)度，按規(guī)范2.5.2.2(3)選取。

圖1 機(jī)艙結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

圖2 機(jī)艙艙底結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)本船實(shí)際結(jié)構(gòu)，選取s=0.6 m，f=1.0，d=7.8 m，r=1.25 m，a=2.5，b=3.0，K=4.0。實(shí)肋板跨距l(xiāng)的選取，如果依據(jù)規(guī)范選取15.8 mm，會(huì)導(dǎo)致實(shí)肋板尺寸很大?？紤]到機(jī)艙中由于基座、龍骨和實(shí)肋板之間的相互支撐，作者進(jìn)行了折減計(jì)算，l選取為6.0 mm，同時(shí)修改通報(bào)中機(jī)艙部位實(shí)肋板剖面模數(shù)加強(qiáng)1.3倍要求，可以得到規(guī)范要求的實(shí)肋板剖面模數(shù)為1 016.5 cm3。最終本船實(shí)肋板選取為⊥10 mm×500 mm/10 mm×100 mm和⊥12 mm×1 000 mm/12 mm×200 mm 2種結(jié)構(gòu)尺寸，并采用4副1強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行布置。

2 有限元模型

2.1結(jié)構(gòu)模型及邊界條件

運(yùn)用MSC.Patran建立了機(jī)艙三維網(wǎng)格模型，如圖3所示。模型坐標(biāo)系統(tǒng)原點(diǎn)位于Fr4船底中線處。有限元模型的縱向范圍為Fr4至Fr24，整寬模型。建模過程中甲板、艙壁等平板結(jié)構(gòu)用板單元模擬，肋板、船底龍骨、甲板縱桁、甲板強(qiáng)橫梁、舷側(cè)縱桁、舷側(cè)強(qiáng)肋骨、艙壁垂直桁等腹板用板單元模擬，面板用梁?jiǎn)卧M，支柱用梁?jiǎn)卧M。有限元節(jié)點(diǎn)數(shù)為20 685個(gè)，單元為29 234個(gè)。

考慮到本船有限元模型兩端均受到橫艙壁的約束作用，故模型兩端邊界條件視為剛性固定。

圖3 機(jī)艙結(jié)構(gòu)有限元模型

2.3計(jì)算工況及載荷

根據(jù)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的實(shí)際受力特性可知，機(jī)艙板架受力十分復(fù)雜，同時(shí)承受總縱彎曲和板架彎曲的聯(lián)合作用。根據(jù)本船穩(wěn)性計(jì)算書，計(jì)算工況選取滿載出港工況，吃水7.80 m。考慮到《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)及2012修改通報(bào)中關(guān)于局部強(qiáng)度的相關(guān)規(guī)定，需要計(jì)及1/2半波高的影響，因此船底實(shí)際最大水壓力達(dá)到了9.05 m。水壓力的作用采用場(chǎng)進(jìn)行加載計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果

本文內(nèi)河貨船的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范修改通報(bào)》 (2012)表14.7.6.1進(jìn)行選取，實(shí)肋板的許用應(yīng)力為176 MPa，許用剪切應(yīng)力為105 MPa，實(shí)肋板最大合成應(yīng)力為56.3 MPa，最大應(yīng)力位于Fr14船底實(shí)肋板頂部與主機(jī)座交匯處，最大剪切應(yīng)力為31.0 MPa，均滿足規(guī)范要求。機(jī)艙局部強(qiáng)度應(yīng)力分布圖如圖4所示，船底板架應(yīng)力分布圖如圖5所示。

圖4 機(jī)艙局部強(qiáng)度應(yīng)力分布

圖5 船底板架應(yīng)力分布

4 結(jié)論和建議

(1)本文直接計(jì)算中有限元模型的建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件的施加、計(jì)算工況的確定以及應(yīng)力衡準(zhǔn)值均嚴(yán)格遵守規(guī)范中關(guān)于局部強(qiáng)度的要求，從整體有限元計(jì)算分析結(jié)果來看，規(guī)范中有關(guān)實(shí)肋板剖面模數(shù)的計(jì)算公式明顯保守。本文實(shí)肋板跨距選取只為規(guī)范要求值的40%不到，剖面模數(shù)僅為規(guī)范的15%左右，但機(jī)艙局部強(qiáng)度以及實(shí)肋板強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

(2)有限元模型計(jì)算范圍。根據(jù)規(guī)范要求和內(nèi)河貨船的實(shí)際結(jié)構(gòu)特性，模型范圍可選取2道橫艙壁之間的機(jī)艙部分。內(nèi)河貨船多為單尾和雙尾結(jié)構(gòu)形式，型線復(fù)雜，每個(gè)肋位和基座結(jié)構(gòu)均需獨(dú)立建模，建模較為復(fù)雜。當(dāng)今規(guī)范中有限元模型主要分為梁系模型和板梁組合模型2種，縱觀2種模型，梁系模型帶有較大的簡(jiǎn)化，而板梁組合有限元模型能夠更加真實(shí)的反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力特點(diǎn)。

(3)計(jì)算工況。機(jī)艙有限元強(qiáng)度為局部強(qiáng)度，與總強(qiáng)度(總縱、總橫和扭轉(zhuǎn))相比，計(jì)算工況較少。內(nèi)河貨船一般航行于A、B級(jí)航區(qū)，A級(jí)航區(qū)波高為2.5 m，B級(jí)航區(qū)波高為1.5 m。而實(shí)際設(shè)計(jì)中， B級(jí)航區(qū)設(shè)計(jì)吃水一般較A級(jí)航區(qū)大0.2 m左右，而A、B級(jí)航區(qū)的半波高相差0.5 m，因此計(jì)算航區(qū)可僅考慮A級(jí)航區(qū)。

(4)加減1/2波高的建議。規(guī)范中要求局部強(qiáng)度要同時(shí)考慮靜水和波浪的影響，波浪在局部強(qiáng)度計(jì)算中一般視為半波高影響，因此雖然僅考慮A級(jí)航區(qū)，但需要在靜水的基礎(chǔ)上加減1/2波高進(jìn)行處理，而從結(jié)構(gòu)分析的安全性和實(shí)肋板強(qiáng)度分析的角度來說，靜水加1/2波高可以使其應(yīng)力更大。綜合第3點(diǎn)，可以選A級(jí)航區(qū)+1/2波高作為計(jì)算吃水進(jìn)行分析。

(5)考慮到一般內(nèi)河貨船總布置和機(jī)艙布置的特性，關(guān)于局部載荷處理的建議。內(nèi)河貨船上層建筑一般位于尾部，同時(shí)考慮到機(jī)艙內(nèi)主機(jī)、輔機(jī)的重量和上層建筑的重量，如僅考慮機(jī)艙局部強(qiáng)度和變形特點(diǎn)，該部分重量使得機(jī)艙部分處于中垂?fàn)顟B(tài)，而外部水壓力使該分段處于中拱，兩者相互影響勢(shì)必會(huì)減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形。在設(shè)計(jì)過程中對(duì)上層建筑的重量往往難以得出精確值，因此在實(shí)際有限元分析中可忽略主機(jī)、輔機(jī)等設(shè)備以及上層建筑的重量，其計(jì)算得到的應(yīng)力會(huì)明顯偏大，更為保守和安全。

(6)實(shí)肋板跨距在設(shè)計(jì)中的選取值。如嚴(yán)格按照規(guī)范，跨距為兩舷側(cè)(或內(nèi)舷板)之間的距離或舷側(cè)(或內(nèi)舷側(cè))與中縱艙壁之間的距離，內(nèi)河貨船在機(jī)艙內(nèi)一般不會(huì)設(shè)置中縱艙壁。因此，按照規(guī)范，實(shí)肋板跨距即為兩舷側(cè)之間或者內(nèi)舷側(cè)之間的距離，接近貨船開口寬度，如此取值，必使實(shí)肋板剖面模數(shù)要求值很大。另外，在機(jī)艙中一般會(huì)設(shè)置支柱，因此設(shè)計(jì)公司在跨距選取時(shí)進(jìn)行折減也存在一定的合理性，下一步可對(duì)折減系數(shù)進(jìn)行深入研究。

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

[2]中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范2012修改通報(bào)[M].北京：人民交通出版社,2012.

2014-05-20

朱國(guó)鋒(1975-)，男，高級(jí)工程師，主要從事船舶檢驗(yàn)工作。

U661.43

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