劉玉智

(上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司， 上海 201612)

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800PCC內(nèi)河商品汽車(chē)運(yùn)輸船總縱強(qiáng)度計(jì)算研究

劉玉智

(上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司， 上海 201612)

摘要以一艘800PCC內(nèi)河商品汽車(chē)運(yùn)輸船為例，分別通過(guò)規(guī)范計(jì)算和有限元分析兩種方法，詳細(xì)介紹了內(nèi)河船總縱強(qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞總縱強(qiáng)度聯(lián)合剖面模數(shù)有限元結(jié)構(gòu)分析屈服分析屈曲分析

Research on Longitudinal Strength Calculation for 800PCC River Car Carrier

LIU Yu-zhi

(Shanghai Bestway Marine Engineering Design Co., Ltd., Shanghai 201612, China)

AbstractBased on a 800PCC river car carrier as an example, through two methods of RULES calculation and finite element analysis respectively, this article introduces in detail the problems that should be paid attention to the global longitudinal strength.

Keywords Longitudinal strengthUnite section modulusFinite element structural analysisYield analysisBucking analysis

0引言

近年來(lái)，隨著內(nèi)河運(yùn)輸?shù)某墒彀l(fā)展和汽車(chē)貿(mào)易的蓬勃，內(nèi)河商品汽車(chē)運(yùn)輸船的需求不斷增加。

內(nèi)河船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《內(nèi)規(guī)》)，內(nèi)河規(guī)范與海船規(guī)范是完全兩套不同的體系，隨著近幾年內(nèi)河船舶的大型化，內(nèi)規(guī)也不斷地調(diào)整與修改，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要對(duì)內(nèi)規(guī)充分理解，靈活運(yùn)用，才能使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理，減輕重量。在整個(gè)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，總縱強(qiáng)度的校核是關(guān)鍵的一步，因?yàn)槭紫任覀円ＷC整個(gè)船體梁在水中強(qiáng)度是足夠的，安全的，然后再去考慮船體各個(gè)部分的局部強(qiáng)度才有意義。

本文以800PCC內(nèi)河商品汽車(chē)運(yùn)輸船為例，分別通過(guò)規(guī)范計(jì)算和有限元分析兩種方法，詳細(xì)介紹內(nèi)河船總縱強(qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。

1船舶概況

本船型的主要參數(shù)如下。

總長(zhǎng)： 110 m；

垂線間長(zhǎng)： 103.8 m；

型寬： 18.8 m；

型深： 5.2 m；

結(jié)構(gòu)吃水： 3 m；

方型系數(shù)： 0.627；

船級(jí)符號(hào)： ★ CSAD 滾裝貨船，A、B、C級(jí)航區(qū)；

J2 級(jí)急流航段,★ CSMD BRC；

典型橫剖面圖如圖1所示。

圖1　典型橫剖面圖

2總縱強(qiáng)度規(guī)范計(jì)算

規(guī)范要求船舯最小剖面模數(shù)W0=aK1K2L2B=1.37×104cm2·m。

式中：K1,K2為修正系數(shù)，K1=(1 053+32.8L-0.138L2)×10-3, K2=1。

本船主甲板即強(qiáng)力甲板，只計(jì)算主船體本身的剖面特性的話，主甲板的剖面模數(shù)W=0.995×104cm2·m,對(duì)水平中和軸的慣性矩I=2.95×104cm2·m2,無(wú)法滿足最小剖面模數(shù)及剖面慣性矩的要求。通常遇到這種情況，我們采取的方法是加大主甲板處的構(gòu)件尺寸，但是對(duì)于此船，由于慣性矩要求差距太大，采取這種方法將使主甲板處的構(gòu)件尺寸與整個(gè)主船體很不協(xié)調(diào)，且船體重量將增加很多。

針對(duì)這種情況，由于本船是汽車(chē)滾裝船，主甲板上面幾層甲板也都是全船貫通的，首先考慮將主甲板上面一層甲板作為強(qiáng)力甲板，但對(duì)于本船，此種方案是行不通的，原因有兩點(diǎn)：(1) 內(nèi)河規(guī)范要求強(qiáng)力甲板與干舷甲板之間的艙壁與干舷甲板下橫艙壁在同一平面內(nèi)，本船干舷甲板上面裝載車(chē)子，船東要求全通，不允許有任何艙壁的存在。(2) 干舷甲板與最近上層甲板之間的舷側(cè)設(shè)置有兩個(gè)車(chē)可通行的舷門(mén)和一個(gè)車(chē)可通行的跳板門(mén)，這樣，舷側(cè)開(kāi)孔縱向長(zhǎng)度大于船長(zhǎng)的10%。基于這兩點(diǎn)，主甲板上層甲板作為強(qiáng)力甲板是不可行的。

根據(jù)內(nèi)規(guī)要求，當(dāng)強(qiáng)力甲板以上設(shè)有有效長(zhǎng)度大于0.4 L的一層或一層以上的連續(xù)鋼質(zhì)上層建筑時(shí)(或甲板室)，最下一層上層建筑(或甲板室)的甲板及其縱向連續(xù)構(gòu)件參與總縱彎曲，可根據(jù)規(guī)范計(jì)算強(qiáng)力甲板邊線和平板龍骨處的聯(lián)合剖面模數(shù)[1]。但當(dāng)最下一層上層建筑(或甲板室)側(cè)壁上的開(kāi)口縱向長(zhǎng)度大于側(cè)壁長(zhǎng)度的20%時(shí)，則上層建筑(或甲板室)不計(jì)入總縱強(qiáng)度剖面模數(shù)計(jì)算。因此為了將主甲板上面一層上層建筑考慮進(jìn)去，就要保證主甲板上面一層上層建筑側(cè)壁上的開(kāi)口縱向長(zhǎng)度不大于側(cè)壁長(zhǎng)度的20%，在此基礎(chǔ)上計(jì)算強(qiáng)力甲板邊線和平板龍骨處的聯(lián)合剖面模數(shù)及聯(lián)合慣性矩。

圖2　帶上建的典型橫剖面圖

這里特別需要注意的是在計(jì)算聯(lián)合剖面模數(shù)及聯(lián)合慣性矩時(shí)坐標(biāo)系的選取問(wèn)題。在《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》里，看不出坐標(biāo)系的選取有何特別之處，計(jì)算聯(lián)合剖面模數(shù)及聯(lián)合慣性矩時(shí)坐標(biāo)系的選取是有特殊規(guī)定的，以主甲板與船中線交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，Z軸向下，如圖2所示。按照這樣的坐標(biāo)系計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　聯(lián)合剖面模數(shù)及慣性矩計(jì)算

從表中可以看出甲板聯(lián)合剖面模數(shù)及聯(lián)合剖面慣性矩分別為W=1.83×104cm2·m, I=4.72×104cm2·m2,而主船體本身最小剖面模數(shù)及剖面慣性矩分別為W=0.995×104cm2·m,I=2.95×104cm2·m2, 剖面特性顯著增加。船體梁船舯最小剖面模數(shù)及剖面慣性矩要求分別為：W=1.37×104cm2·m,I=4.22×104cm2·m2,充分滿足了規(guī)范要求。

3總縱強(qiáng)度有限元計(jì)算

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》要求，當(dāng)船舶主體縱向結(jié)構(gòu)在中部0.6L范圍內(nèi)突變且船長(zhǎng)≥80 m時(shí)，應(yīng)按照第14章的規(guī)定校核船體總縱強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)突變區(qū)域的強(qiáng)度。對(duì)該船進(jìn)行有限元總縱強(qiáng)度計(jì)算分析，并對(duì)船底板、內(nèi)底板、舷側(cè)外板、縱艙壁、雙層底縱桁等縱向主要構(gòu)件進(jìn)行屈曲強(qiáng)度校核。

3.1模型范圍

根據(jù)《內(nèi)規(guī)》要求，計(jì)算時(shí)一般應(yīng)采用強(qiáng)力甲板及以下部分的艙段模型或者整船模型，考慮到上層建筑重量及其甲板車(chē)輛載荷施加，本次計(jì)算模型包含強(qiáng)力甲板以上上層建筑；根據(jù)《內(nèi)規(guī)》要求，其中當(dāng)突變剖面或載荷集中區(qū)域位于船體中部時(shí)，取以突變剖面或載荷集中區(qū)域端界向艏艉端各延伸至鄰近的橫艙壁且不少于3倍型深的艙段作為有限元分析模型。本次計(jì)算模型縱向范圍為：FR20~FR118；橫向范圍取全寬；高度方向取自基線至G甲板。有限元模型如圖3所示。

圖3　總縱強(qiáng)度有限元模型屬性示意圖

3.2邊界條件

對(duì)于中部艙段有限元模型，在兩端面中和軸與中縱剖面交點(diǎn)處各建立一個(gè)獨(dú)立點(diǎn)N1、N2，端面上的各節(jié)點(diǎn)與獨(dú)立點(diǎn)進(jìn)行剛性關(guān)聯(lián)。在獨(dú)立點(diǎn)N1、N2上分別施加線位移約束：u1x= u1y= u1z=0和u2y=u2z=0；在獨(dú)立點(diǎn)N1、N2上施加角位移θ1x=θ2x=0[1]。

3.3計(jì)算工況

根據(jù)內(nèi)規(guī)要求，加載模型，模擬工況。

3.4屈服校核

船中處總縱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表2和表3所示，應(yīng)力云圖如圖4和圖5所示。計(jì)算結(jié)果很理想，基本不需改變?cè)?guī)范計(jì)算的尺寸規(guī)格。

表2　碼頭裝載工況計(jì)算結(jié)果匯總表(LC7~LC9)

表3　航行工況計(jì)算結(jié)果匯總表(LC1~LC6_2)

注：網(wǎng)格小于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格大小，結(jié)果為相應(yīng)區(qū)域平均值。

圖4　航行工況A甲板、B甲板、C甲板、外板、縱艙壁、船底縱桁應(yīng)力云圖

圖5　航行工況橫艙壁、雙層底實(shí)肋板應(yīng)力云圖

3.5屈服校核

根據(jù)《內(nèi)規(guī)》第1篇第14章第4節(jié)要求，采用有限元方法計(jì)算總縱強(qiáng)度時(shí)，需校核船體梁的強(qiáng)力甲板、船底板、內(nèi)底板、舷側(cè)外板、縱艙壁和雙層底縱桁等縱向主要構(gòu)件的屈曲強(qiáng)度[1]。

各種計(jì)算工況的有限元計(jì)算結(jié)果，在強(qiáng)力甲板或船底板船長(zhǎng)方向最大中面壓應(yīng)力區(qū)域處，選取由兩縱骨(或橫梁)和兩強(qiáng)橫梁(或縱桁)所圍的板格，或兩實(shí)肋板(或底肋骨)和兩縱骨(或縱桁)所圍板格進(jìn)行板的屈曲強(qiáng)度計(jì)算。計(jì)算由中國(guó)船級(jí)社板格屈曲分析插件完成。

根據(jù)裝載手冊(cè)，本船沒(méi)有中垂，只有中拱，因此中和軸以下的板格承受壓應(yīng)力較大，容易產(chǎn)生屈曲。實(shí)際計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，船底板的屈曲有很大問(wèn)題，很難滿足，如果通過(guò)增加板厚來(lái)滿足，板厚增加較多，不經(jīng)濟(jì)。采用在強(qiáng)肋板之間增加橫向屈曲筋(見(jiàn)圖6)，可以在增加很少鋼料的情況下滿足規(guī)范要求。還有內(nèi)殼板的屈曲計(jì)算也不滿足，內(nèi)殼板最下列板加厚，緊臨最下列板的板格增加屈曲筋，具體如圖7所示，修改后的內(nèi)殼板屈曲計(jì)算滿足規(guī)范要求。

圖6　船底板加屈曲筋

圖7　內(nèi)殼板加板厚及屈曲筋

屈曲計(jì)算結(jié)果如表4所示，屈曲計(jì)算云圖如圖8、圖9所示。

表4　屈曲計(jì)算結(jié)果匯總表

圖8　船底板屈曲云圖　　　　　　　　[下轉(zhuǎn)第42頁(yè)]

中圖分類號(hào)U662

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡(jiǎn)介：劉玉智(1983-)，男，工程師，研究方向?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。