金義會， 楊秀勇

(1.臺州市港航管理局， 浙江 臺州 318000； 2.浙江海洋學(xué)院， 浙江 舟山 316022)

7 200 dwt江海直達船艙口蓋直接設(shè)計

金義會1， 楊秀勇2

(1.臺州市港航管理局， 浙江 臺州 318000； 2.浙江海洋學(xué)院， 浙江 舟山 316022)

采用MSC軟件對一艘7 200 dwt江海直達散貨船艙口蓋結(jié)構(gòu)進行了有限元計算分析，得到艙口蓋在設(shè)計波浪載荷作用下, 艙口蓋應(yīng)力與變形的分布情況，并通過CCS-Tool完成了屈曲強度校核，經(jīng)加強后使艙口蓋結(jié)構(gòu)滿足屈服與屈曲強度要求。同時，提出了艙蓋直接設(shè)計的注意事項，為今后艙口蓋設(shè)計提供一些參考。

散貨船 艙口蓋 屈服強度 屈曲強度

1 引言

江海直達運輸因減少了中間環(huán)節(jié)，降低了貨物損耗，大幅縮減運輸成本而深受船東和貨主的親睞。艙蓋作為貨船的主要設(shè)備之一具有多種型式，其中現(xiàn)代貨船的折疊式最為廣泛。隨著貨艙蓋尺寸不斷增大，承受載荷也隨之增加。艙蓋不僅要保證在波浪和風(fēng)雨載荷作用下的密性，還需確保在各工況下的剛性與強度，防止艙蓋過渡變形或破壞，致使艙蓋無法正常開啟或關(guān)閉等現(xiàn)象出現(xiàn)。因此艙蓋越來越受到船級社、船東和船廠重視。本文就一艘無限航區(qū)7 200 dwt江海直達散貨船，參考《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2009)(以下簡稱規(guī)范)要求，應(yīng)用有限元法對其結(jié)構(gòu)強度及剛度進行設(shè)計校核與優(yōu)化，使其在相對較小的結(jié)構(gòu)尺寸下滿足規(guī)范要求。

2 主要參數(shù)

7 200 dwt江海直達船總長140.0 m，型寬16.60 m，型深7.20 m，設(shè)計吃水5.00 m。共有4個貨艙，第1貨艙蓋尺寸為19 840×13 130 mm，第2～4貨艙蓋相同，尺寸為20 490×13 130 mm。艙蓋采用鋼質(zhì)風(fēng)雨密液壓折疊式，每一個貨艙蓋由4塊蓋板組成，蓋板結(jié)構(gòu)主要由5道縱桁(腹板8 mm，面板10 mm)、8道強橫梁(腹板12 mm，面板28 mm、20 mm)、1塊艙口頂板(10 mm)、4塊艙口蓋邊板(10 mm)和1組橫梁(L125×80×8)組成。艙蓋主要構(gòu)件采用CCS-AH32鋼，橫梁采用CCS-A鋼建造。

3 有限元模型

本文使用MSC.PATRAN/NASTRAN有限元軟件進行建模與計算分析，選用右手坐標系，X軸沿艙口長度指向船艏，Y軸沿艙口寬度指向左舷，Z軸沿艙口高度朝上。模型包括艙蓋的頂板、縱橫桁材、邊板及橫梁等構(gòu)件，頂板單元網(wǎng)格大小參考縱橫構(gòu)件間距，接近正方形布置，桁材腹板高度方向使用采用3個單元，結(jié)構(gòu)以凈尺寸(扣除2mm腐蝕余量)，采用殼元與梁元模擬，彈性模量E= 2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.30，密度ρ=7.85×10-9t/mm3，重力加速度g=9 810mm/s2，第1貨艙蓋詳見圖1，第2～4貨艙蓋結(jié)構(gòu)相同且與第1貨艙蓋相似。

圖1 第一貨艙艙口蓋有限元模型

4 邊界條件、工況載荷與許用衡準

根據(jù)艙蓋布置圖中縱橫向限位器及支承塊的特性，可知縱向限位器限制其縱向線位移，橫向限位器限制其橫向線位移，支承塊限制其垂向線位移，端鉸底座和油缸鉸鏈處限制縱向與垂向線位移，鉸鏈處設(shè)置垂向位移剛性關(guān)聯(lián)[3]，如表1所示。

表1 邊界條件

根據(jù)文獻[3]， 對于載重線船長為100 m以上的散貨船，干舷甲板上的艙口頂板上的壓力P應(yīng)按式(1)計算，且不小于34.3kN/m2。

P=34.3+[14.8+a(LL-100)]

式中：LL為取載重線船長，136.20m；x為艙口蓋板格中點至LL前端的縱向距離；a為屬于B型干舷船舶，取0.0726。

設(shè)計波浪載荷如表2所示。

表2 頂板設(shè)計波浪載荷

設(shè)計波浪載荷許用正應(yīng)力、剪應(yīng)力如表3所示，艙蓋頂板、縱桁、強橫梁采用CCS-AH32，ReH=315MPa，橫梁采用CCS-A，ReH=235MPa，l為艙蓋橫向跨度，13.12m。

表3 許用衡準

5 計算結(jié)果

艙蓋各主要構(gòu)件的應(yīng)力具體計算結(jié)果如表4、表5所示，由于艙蓋2與艙蓋1結(jié)構(gòu)上相似，計算云圖僅顯示第1艙蓋(見圖2～圖5)，變形云圖如圖6所示。

表4 第一貨艙艙蓋主要構(gòu)件應(yīng)力結(jié)果

表5 第二貨艙艙蓋主要構(gòu)件應(yīng)力結(jié)果

圖2 第一貨艙艙蓋頂板Y方向應(yīng)力云圖

圖3 第一貨艙艙蓋橫梁Y方向應(yīng)力云圖

圖4 第一貨艙艙蓋縱桁Z方向應(yīng)力云圖

圖5 第一貨艙艙蓋梁元軸向應(yīng)力云圖

在滿足屈服強度的條件下，艙蓋穩(wěn)定性也需進行校核，本文采用CCS-Tool工具對艙口蓋的頂板、強橫梁腹板、縱桁腹板進行屈曲強度評估。由于結(jié)構(gòu)左右對稱，評估僅取左舷，校核時扣除了腐蝕余量2 mm。經(jīng)過加強后，艙口蓋滿足屈曲要求，屈曲因子如表6所示，結(jié)果如圖7～圖9所示。

表6 艙蓋最小屈曲因子計算結(jié)果

圖6 第一貨艙艙蓋變形圖

圖7 第一貨艙艙蓋頂板屈曲強度結(jié)果

圖8 第一貨艙縱桁腹板屈曲強度結(jié)果

圖9 第一貨艙艙蓋強橫梁腹板屈曲強度結(jié)果

6 加強措施

第1貨艙艙口蓋1-2、1-3頂板從船中至距船中第一道縱桁之間區(qū)域板厚由10 mm加強為11 mm(圖10中深色區(qū)域)，加強時注意焊接工藝要求。并在該區(qū)域內(nèi)，沿船長方向中縱桁與第一道縱桁中間加設(shè)間斷8×100的扁鋼以滿足屈曲強度。第2～4貨艙艙蓋，在圖中對應(yīng)區(qū)域內(nèi)，加設(shè)間斷8×100的扁鋼。

7 分析與結(jié)論

(1) 艙口蓋結(jié)構(gòu)屈服與屈曲強度均小于許用值，符合規(guī)范要求。

(2) 艙蓋主要構(gòu)件正應(yīng)力與剪應(yīng)力值都較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計較合理。

(3) 由于艙蓋四周都有相應(yīng)約束，中部自由度大，結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力值也大。中部結(jié)構(gòu)雖能滿足屈服強度，但也不能忽視屈曲強度，在不能滿足時，可局部增加板厚或加設(shè)扁鋼。若增加量較大時，需考慮重新設(shè)計。

(4) 艙蓋橫向跨度較大，對撓度要求較高，設(shè)計時常采用局部升高強橫梁腹板、加厚面板的方式。本設(shè)計中采用等高腹板，但面板厚度較腹板厚度大，并在兩端減薄，這樣既滿足了結(jié)構(gòu)強度要求，也適當減輕了結(jié)構(gòu)重量。

(5) 考慮到艏部上浪問題，規(guī)范對距離船艏LL/4的艙蓋載荷要求較高。因此設(shè)計時應(yīng)明確艙蓋中心所在位置，并適當增加該區(qū)域內(nèi)艙蓋的強度。

圖10 結(jié)構(gòu)加強圖

[1] 陳鐵云，陳伯真.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1990.

[2] 劉冰山, 黃沖.Patran 從入門到精通[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2003.

[3] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2009.

[4] 張玉蓮.考慮腐蝕影響與屈曲強度的液壓折疊式艙口蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].船舶力學(xué)，2009，13(5)：757-760.

[5] 劉俊梅，黃永生.散貨船有限元法艙口蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].中國水運，2012，12(4)：3-4,7.

The Direct Design of Hatch Cover in 7 200 dwt River-to-sea Ship

JIN Yi-hui1， YANG Xiu-yong2

(1.Bureau of Port Management, Taizhou Zhejiang 318000, China;2.Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316022, China)

Base on MSC software, the hatch cover structure of a 7 200 dwt river-to-sea ship is analyzed by FEM. The distribution of stress and deformation of hatch cover under the alternating action of designed wave force is obtained, its yield strength and buckling strength are checked and enhanced based on CCS-tool. At the same time, the notices in directly designing the hatch cover are proposed. The result can provide a reference for the future design of hatch cover.

River-to-sea ship Hatch cover Yield strength Buckling strength

7 200 dwt江海直達船艙口蓋設(shè)計優(yōu)化國際合作項目(2012DFR80170)。

金義會(1979-)，男，驗船師。

U662

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