王曦

摘要：艙口蓋是船舶重要舾裝件，在設(shè)計(jì)過程中，艙口蓋的強(qiáng)度問題不能忽視。本文運(yùn)用MSC.Patran/MSC.Nastran軟件對(duì)17800DWT多用途船艙蓋在風(fēng)雨載荷和裝載集裝箱狀態(tài)下進(jìn)行有限元計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果分析，驗(yàn)證構(gòu)件強(qiáng)度滿足使用需要。

關(guān)鍵詞：多用途船；艙口蓋；有限元；載荷；強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U662.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-7973（2016）07-0049-02

艙口蓋是船舶重要組成部分，隨著船舶大型化趨勢(shì)的發(fā)展，艙口蓋面積也越來越大，其強(qiáng)度問題愈加受到人們重視。尤其對(duì)于多用途船來說，它不僅密封艙口，保護(hù)艙內(nèi)貨物，還對(duì)甲板上的集裝箱貨物起支撐作用。對(duì)于其復(fù)雜的載荷情況，本文運(yùn)用MSC.Patran/MSC.Nastran軟件對(duì)艙口蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元計(jì)算，分析計(jì)算艙口蓋構(gòu)件尺寸及整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力分布情況，為類似船舶的艙口蓋結(jié)構(gòu)分析提供借鑒。

1 船型及艙口蓋概述

1.1 主尺度

總長(zhǎng)：156.80米；垂線間長(zhǎng)：139.30米；型寬：21.60米；型深：11.40米；吃水：8.30米。

1.2 結(jié)構(gòu)型式

17800DWT多用途船共有五個(gè)貨艙，每個(gè)貨艙的艙口蓋是由3塊蓋板組成的鋼質(zhì)風(fēng)雨密艙口蓋。四個(gè)貨艙艙口蓋各塊蓋板結(jié)構(gòu)近似，每塊蓋板主要結(jié)構(gòu)由三道縱桁、五道橫梁和艙口蓋邊板組成。

2 有限元模型

2.1 模型范圍及建立

本文以17800DWT多用途船艙口蓋作為研究對(duì)象，由于各貨艙蓋尺寸及載荷條件相同，因此對(duì)第一貨艙的艙口蓋建立模型，見圖1和圖2。

2.2 坐標(biāo)系

坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手坐標(biāo)系，見圖1～3所示，原點(diǎn)位于艙口蓋中心端處，x軸向船首為正方向，y軸向左舷為正方向，z軸向上為正方向。

2.3 單元網(wǎng)格

有限元模型以板殼單元、梁?jiǎn)卧蜅U單元為主。

板（shell）單元：模擬主甲板板、舷側(cè)外板、船底外板、橫艙壁板，船底縱桁、實(shí)肋板，舷側(cè)縱桁、甲板縱桁、強(qiáng)橫梁、主肋骨等強(qiáng)構(gòu)件的腹板以及較大的肘板。

梁（beam）單元：橫梁、普通肋骨、艙壁加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，以及縱桁、強(qiáng)框架等強(qiáng)構(gòu)件的面板和肘板的折邊等。

桿（bar）單元：模擬支柱、斜桿。

2.4 邊界條件

根據(jù)縱向及橫向限位器的特性，縱向限制其縱向的自由度，橫向限制其橫向的自由度，支成承塊限制其垂向自由度。模型邊界條件見圖3。

2.5 材料屬性

艙口蓋結(jié)構(gòu)采用船用鋼，材料屬性：彈性模量E=2.1x10¹¹Pa，泊松比v=0-3，密度ρ=7.85×10³kg/m³。

3 計(jì)算載荷

根據(jù)《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》第2篇第2章第20節(jié)的要求，直接計(jì)算時(shí)所采用的艙口蓋載荷、許用應(yīng)力和許用撓度應(yīng)符合表2.20.9.2的規(guī)定。模型中分三個(gè)工況。

3.1 風(fēng)雨載荷工況

風(fēng)雨載荷采用均布載荷的方式，施加在艙口蓋頂板上，工況LCl中，設(shè)計(jì)所有蓋板載荷為17.17kN/m²，模型載荷條件如圖4所示。

3.2 20ft集裝箱裝載工況

工況LC2中，按照布置圖進(jìn)行20ft集裝箱受力點(diǎn)進(jìn)行加載：集裝箱每個(gè)箱角載荷：F=T/4=48×9810/4=117720N，模型載荷條件如圖5所示。

3.3 40ft集裝箱裝載工況

工況LC3中，按照布置圖進(jìn)行40ft集裝箱受力點(diǎn)進(jìn)行加載：集裝箱每個(gè)箱角載荷：F=T/4=96×9810/4=235440N，模型載荷條件如圖6所示。

3.4 構(gòu)件重量

模型范圍的構(gòu)件均按艙口蓋實(shí)際型式模擬，通過設(shè)置鋼材的密度和重力加速度來實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的重量，并直接施加到結(jié)構(gòu)上，見圖7。

4 許用應(yīng)力與許用撓度

根據(jù)《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》第2篇第2章第20節(jié)的要求，直接計(jì)算時(shí)所采用的艙口蓋許用應(yīng)力和許用撓度應(yīng)符合表2.20.9.2的規(guī)定。許用正應(yīng)力、許用剪應(yīng)力如表3與表4所示。

艙口蓋Q235/AH36在裝載集裝箱工況下許用彎曲應(yīng)力、許用剪應(yīng)力、許用撓度如下表2所示。

艙口蓋Q235/AH36在設(shè)計(jì)波浪工況下許用彎曲應(yīng)力、許用剪應(yīng)力、許用撓度如下表3所示。

5 計(jì)算結(jié)果

設(shè)置好邊界條件和載荷后，對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，得到了整個(gè)模型的應(yīng)力分布和整體變形情況，將構(gòu)件一一獨(dú)立出來，分別得到其的最大應(yīng)力值及應(yīng)力分布。這里給出幾個(gè)典型構(gòu)件在LC1狀態(tài)下的應(yīng)力云圖，見圖8～11。貨艙艙蓋主要構(gòu)件在不同工況下的應(yīng)力和剪切應(yīng)力值見表4～6。表中與規(guī)定的許用應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比，模型中各構(gòu)件的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力均小于規(guī)范要求的最小應(yīng)力，其變形結(jié)果也滿足要求，見表7。

6 結(jié)論

針對(duì)多用途船艙口蓋結(jié)構(gòu)和所受載荷的特點(diǎn)，分三種工況對(duì)其進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。依據(jù)文獻(xiàn)的要求對(duì)艙口蓋結(jié)構(gòu)建立有限元模型，按集裝箱載荷的分布情況，將集裝箱載荷以集中力的形式施加到箱角上，模似集裝箱作用力。分析有限元計(jì)算結(jié)果，每一構(gòu)件的最大計(jì)算應(yīng)力值均小于規(guī)范允用值。說明構(gòu)件的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。