王 中 華

（中國船級社規(guī)范與技術(shù)中心，上海 200135）

近海供應(yīng)船雙層底開孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

王 中 華

（中國船級社規(guī)范與技術(shù)中心，上海 200135）

以載運(yùn)大比重液貨近海供應(yīng)船為研究對象，采用直接計(jì)算對其雙層底開孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，以驗(yàn)證是否能同時(shí)滿足CCS《鋼規(guī)》和IBC Code中對雙層底開孔尺度的不同要求。經(jīng)有限元建模直接計(jì)算校核，結(jié)合規(guī)范條文，得出滿足船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求且適度的開孔尺度，整個(gè)過程可供設(shè)計(jì)和審圖人員參考。

近海供應(yīng)船；雙層底；開孔；CCS《鋼規(guī)》；IBC Code；直接計(jì)算

0　引 言

近海供應(yīng)船主要為移動(dòng)式或固定式的近海工程設(shè)施運(yùn)送物料、材料及設(shè)備，一般在船舶前部設(shè)有起居處所和駕駛室，并在后部設(shè)有用于海上裝卸貨物的露天載貨甲板，其具體入級要求體現(xiàn)在CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》（以下簡稱《鋼規(guī)》［1］）。根據(jù)CCS《鋼規(guī)》第2篇第2章規(guī)定：“雙層底所有肋板、旁桁材上均應(yīng)開人孔；開孔高度應(yīng)不超過該處雙層底高度的50%，否則應(yīng)予加強(qiáng)”；“船中部0.75L區(qū)域內(nèi)，中桁材上不應(yīng)開人孔或減輕孔，在個(gè)別特殊情況下一定要開孔時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)”。近海供應(yīng)船通常設(shè)置有數(shù)個(gè)大密度（2.5kg/m3）泥漿艙，而其所裝運(yùn)的泥漿又屬于有毒有害液體，根據(jù)《國際航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》［2］附則 10第3章3.3條“到貨物區(qū)域內(nèi)處所的出入孔應(yīng)符合《國際散裝化學(xué)品規(guī)則》［3］以下簡稱IBC Code）3.4條水平開孔凈孔≥600mm×600mm，垂向開孔凈孔≥600mm×800mm的要求”。

以上兩條要求分別是出于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的考慮和檢驗(yàn)通道的要求。從強(qiáng)度角度考慮，船體雙層底結(jié)構(gòu)主要支撐構(gòu)件上的開孔大小應(yīng)受到限制，不應(yīng)過大；而從檢驗(yàn)通道及人員安全的角度考慮，船體雙層底結(jié)構(gòu)上用于檢驗(yàn)通道的開孔又有最小尺度的要求，即為保證人員能通過而不應(yīng)太小。以上要求體現(xiàn)在實(shí)船設(shè)計(jì)中，往往會互為矛盾，因?yàn)榻９?yīng)船船舶尺度較小，雙層底實(shí)際高度通常只有1000～1200mm，如其上通道開孔還要能夠滿足IBC Code垂向開孔凈孔≥600mm×800mm的要求（垂向開孔高度800mm已超過雙層底高度1000～1200mm的50%），則會對雙層底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度帶來不利影響。為妥善解決這一矛盾，則需要借助有限元直接計(jì)算來驗(yàn)證雙層底結(jié)構(gòu)主要支撐構(gòu)件上滿足檢驗(yàn)通道尺寸要求的開孔大小是否也能同時(shí)滿足船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。

1　雙層底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算法

1.1作用在雙層底上的載荷及主要工況分析

1.1.1由船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力FX，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z

式中： al——縱向合成加速度； at——橫向合成加速度； av——垂向合成加速度。

1.1.2液艙內(nèi)液體產(chǎn)生的壓力

1.1.3海水靜壓力

1.1.4海水動(dòng)壓力

1） 舷側(cè)水線處的海水動(dòng)壓力

2） 船底邊緣處（舭部）的海水動(dòng)壓力

3） 船底中縱剖面處的海水動(dòng)壓力

4） 水線面以下任意點(diǎn)的海水動(dòng)壓力

5） 水線面以上舷側(cè)外板上任意點(diǎn)的海水動(dòng)壓力

1.2總體載荷工況邊界條件

1） 在端面A與B內(nèi)中和軸與縱中剖面相交處建一個(gè)獨(dú)立點(diǎn)H，在獨(dú)立點(diǎn)上施加總縱彎矩，端面各縱向構(gòu)件節(jié)點(diǎn)自由度 δx、δy、 δz與獨(dú)立點(diǎn)相關(guān)（見表1）。

表1　總體載荷邊界條件

圖1　模型邊界條件

1.3雙層底結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力

1） 應(yīng)將局部載荷工況與總體載荷工況產(chǎn)生的應(yīng)力合成后進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2） 各主要構(gòu)件的許用應(yīng)力見表2。

表2　船體底部結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力（其中K為材料系數(shù)）

2　實(shí)船計(jì)算

以某型船為例分析其雙層底開孔是否滿足CCS《鋼規(guī)》直接計(jì)算的要求。

2.1基本信息及主尺度（見表3）

表3　某型OSV基本信息

2.2雙層底開孔布置及有限元模型模擬

1） 實(shí)船雙層底布置見圖2、3。

圖2　典型橫剖面

圖3　縱向結(jié)構(gòu)

2） 有限元模型范圍：縱向從FR32～FR75，橫向?yàn)閺淖笙现劣蚁?，垂向?yàn)閺耐獾字林骷装?；?節(jié)點(diǎn)或4節(jié)點(diǎn)的板單元（Shell Element）模擬所有的板結(jié)構(gòu)及骨材腹板，以梁單元（Beam）模擬所有骨材面板，板格大小取為175mm（1/4肋骨間距）；雙層底實(shí)肋板和縱桁上的開孔模擬見圖4、5。

圖4　實(shí)肋板上開孔有限元模型

圖5　縱桁上開孔有限元模型

2.3貨物慣性力

泥漿慣性力計(jì)算見表4。

表4　泥漿慣性力計(jì)算

2.4筒形泥漿艙內(nèi)部壓力

考慮到泥漿艙安全閥的壓力為0.01MPa，換算成水頭約為400mm，則

式（9）中：z——計(jì)算點(diǎn)至基線的垂向距離。

2.5外部海水壓力

參數(shù)見表5和圖6。

表5　外部海水壓力計(jì)算

圖6　外部海水壓力分布情況（靜壓力+動(dòng)壓力）

2.6有限元直接計(jì)算結(jié)果分析

由表6可知，當(dāng)該船雙層底縱桁、實(shí)肋板上開孔垂向高度不超過雙層底高度的一半（0.5h）時(shí)，實(shí)船建造值都能滿足規(guī)范要求值；但當(dāng)雙層底主要構(gòu)件上開孔垂向高度為800mm時(shí)，開孔與雙層底實(shí)際高度1200mm的比值為0.67h，此時(shí)，按等效剪切面積［5］換算得到的縱桁、實(shí)肋板規(guī)范要求值分別為11.5mm和12.5mm，則實(shí)際建造值10mm就不能滿足規(guī)范要求值。此時(shí)，就非常有必要通過有限元直接計(jì)算的結(jié)果來對其作進(jìn)一步的分析。

表6　直接計(jì)算結(jié)果與許用值對比

由此可見，從有限元直接計(jì)算結(jié)果來看，雙層底縱桁和實(shí)肋板上的高應(yīng)力區(qū)主要集中在貨艙中段區(qū)域縱桁及實(shí)肋板開孔邊緣的附近，但雙層底結(jié)構(gòu)上所有開孔構(gòu)件的合成應(yīng)力和剪應(yīng)力的最大值均不超過其各自的許用值，故該船雙層底實(shí)肋板和縱桁上的實(shí)際開孔大小在滿足 IBC Code檢驗(yàn)通道垂向開孔凈孔≥600mm×800mm的情況下， 雖然不滿足CCS《鋼規(guī)》第2篇第2章“雙層底所有肋板、旁桁材上的開孔高度應(yīng)不超過該處雙層底高度的50%”和“船中部0.75L區(qū)域內(nèi)，中桁材上不應(yīng)開人孔”的要求，但從有限元直接計(jì)算得到的雙層底開孔結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析來看，該船的雙層底開孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍具有相當(dāng)程度的富裕。

3　結(jié) 語

近海供應(yīng)船往往因船舶尺度較?。p層底實(shí)際高度通常只有 1000～1200mm），在要滿足特定艙容的條件下，對于與液貨艙相鄰的隔離空艙和雙層底艙，如其上通道開孔還要能夠滿足IBC Code垂向開孔凈≥600mm×800mm的要求，則會對船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度造成不利影響。為避免削弱和損害船體結(jié)構(gòu)，通常做法是由船東向主管機(jī)關(guān)提出“免除”申請，因?yàn)楦鶕?jù)IBC Code 3.4.4條“如果通過此類開孔或搬移受傷人員的能力能使主管機(jī)關(guān)滿意，則在特殊情況下，主管機(jī)關(guān)也可批準(zhǔn)較小尺寸的開孔”。而本文通過對此類船舶進(jìn)行有限元建模，采用直接計(jì)算對其雙層底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，為CCS《鋼規(guī)》與IBC Code對雙層底主要構(gòu)件開孔大小要求之間的矛盾提供了除向主管機(jī)關(guān)申請“免除”途徑之外另一種更為科學(xué)、有效的解決辦法，即只要此類近海供應(yīng)船雙層底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能通過有限元直接計(jì)算的校核，則在對其實(shí)肋板和縱桁上開孔大小進(jìn)行限定的規(guī)范條文上可考慮適當(dāng)放寬，即可適當(dāng)增大開孔尺寸。

［1］ 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范，第2分冊［S］. 北京：人民交通出版社，2012.

［2］ 中國海事局.國際航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則，第4C分冊［S］. 北京：人民交通出版社，2014.

［3］ 中國船級社.散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范［S］. 北京：人民交通出版社，2009.

［4］ 金忠謀. 材料力學(xué)［M］. 上海：上海交大教材科，1991.

Structural Strength Analysis of O ffshore Supp ly Vessel Double Bottom Openings

WANG Zhong-hua

（Shanghai Rules &Technology Center of China Classification Society， Shanghai 200135）

Taking the offshore supply vessel for high density liquid transportation as the research object， the structural strength of its double bottom openings is analyzed based on direct calculation， so as to check whether it w ill meet the different requirements specified in the CCS Steel Rules and IBC Code regarding the double bottom opening dimensions. Through finite element modeling and direct calculation check， the proper opening dimensions in compliance meet hull structural strength requirements are obtained based on regulations. The whole process can be referred by designers and plan approvers.

offshore supply vessel； double bottom； opening； CCS Steel Rules； IBC Code； direct calculation

U661.43

A

2095-4069 （2016） 02-0016-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.02.004

2015-03-26

王中華，男，高級工程師，1978 年生。2003 年碩士畢業(yè)于上海交通大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)與制造專業(yè)，現(xiàn)從事船體結(jié)構(gòu)規(guī)范和法定審圖工作。