崔紅奎，夏利娟，趙鵬飛

(1. 上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

自卸式散貨船強(qiáng)度評(píng)估與加強(qiáng)方案研究

崔紅奎1,2，夏利娟1,2，趙鵬飛1,2

(1. 上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

本文以68 000 t非CSR自卸式散貨船為研究對(duì)象，對(duì)其首、尾貨艙及C-Loop局部結(jié)構(gòu)的屈服和屈曲強(qiáng)度進(jìn)行分析評(píng)估，在此基礎(chǔ)上提出加強(qiáng)方案。本文中的分析流程、加強(qiáng)方案和相關(guān)結(jié)論對(duì)同類船舶有一定的參考意義。

自卸式散貨船；屈服強(qiáng)度；屈曲強(qiáng)度

0 引 言

自卸式散貨船是指用船上自配的卸貨設(shè)備，將散貨以連續(xù)均勻的方式卸出船艙的散貨船。本文以1艘68 000 t自卸式散貨船為研究對(duì)象，其總布置如圖1所示，共有7個(gè)貨艙。貨艙底部設(shè)置為漏斗形狀，有可控制開關(guān)的漏斗門，其下設(shè)置貫通全船的縱向輸送帶，散貨經(jīng)由斗門流入輸送帶，隨即輸送到置于尾部的提升輸送機(jī)，經(jīng)提升被送到露天甲板上的投料輸送機(jī)，再被傳輸?shù)桨哆叀Ｔ擃愋痛靶敦浶矢?，能夠大大縮短船舶停靠碼頭的時(shí)間，設(shè)備簡(jiǎn)單可靠、維修方便，具有很大的獨(dú)立性，碼頭無需卸貨設(shè)備等，因而日益受到重視和采用[1–3]。

本文以首、尾貨艙及C-loop結(jié)構(gòu)為例，采用MSC/ Patran&Nastran和LR/ShipRight對(duì)其屈服、屈曲強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核，針對(duì)非CSR散貨船的分析方法和流程進(jìn)行描述，并在強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果的基礎(chǔ)上提出合理的加強(qiáng)方案。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和模型描述

本散貨船為雙殼、雙底縱骨架式結(jié)構(gòu)，有底邊艙、頂邊艙和雙層底作為壓載艙。其典型的橫剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

首貨艙內(nèi)包含有大斜板、防撞艙壁、貨物通道等結(jié)構(gòu)，尾貨艙甲板上有吊臂架基座，整體又作為C-loop結(jié)構(gòu)的支撐，艙底卸貨漏斗結(jié)構(gòu)逐漸升高，首、尾貨艙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要特殊考慮。在營(yíng)運(yùn)過程中會(huì)遇到到港工況，會(huì)出現(xiàn)首、尾貨艙單獨(dú)裝貨的情況，因此首、尾貨艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能否滿足要求，關(guān)系到貨物運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

C-loop型的提升機(jī)布置在機(jī)艙和尾貨艙之間，這種布置節(jié)約了很大的貨艙空間。貨物經(jīng)提升機(jī)傳送至甲板吊臂架，再經(jīng)由吊臂架卸向岸邊。該吊臂架可以向左舷（右舷）旋轉(zhuǎn)至100°，上下起伏18°。吊臂架在旋轉(zhuǎn)卸貨的過程中，會(huì)對(duì)C-Loop頂桅和吊臂架基座產(chǎn)生較大的載荷。因此，此處局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核顯得尤為重要，將直接關(guān)系到能否安全地進(jìn)行卸貨。

分別建立了首、尾部貨艙和C-Loop結(jié)構(gòu)的有限元模型，模型的網(wǎng)格尺寸采用縱骨間距或舷側(cè)肋骨間距。甲板、外板以及桁材的腹板等板材均采用四邊形和少量的三角形板殼元模擬，骨材、加強(qiáng)筋以及桁材的面板采用梁?jiǎn)卧M。模型的范圍根據(jù)ShipRight SDA直接計(jì)算指南[4]而定，首部貨艙有限元模型如圖3所示。C-Loop結(jié)構(gòu)在尾機(jī)艙和尾貨艙之間，主甲板及以下結(jié)構(gòu)作為C-Loop結(jié)構(gòu)的支撐，其有限元模型如圖4所示。

2 首（尾）貨艙強(qiáng)度分析

2.1 分析特點(diǎn)與流程

對(duì)于CSR散貨船，按照LR/ShipRight SDA分析步驟進(jìn)行即可[5]。而對(duì)于非CSR散貨船，因其工況、載荷與軟件中默認(rèn)設(shè)置不同，需要對(duì)工況與載荷進(jìn)行修改，分析過程較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)需要在2個(gè)軟件間傳遞，其分析特點(diǎn)如圖5所示。

首、尾貨艙分析流程與方法相同，本節(jié)中以首貨艙為例介紹了整個(gè)分析流程。圖6的分析流程圖詳細(xì)展示了首貨艙屈服和屈曲的分析過程。

2.2 計(jì)算工況

LR/ShipRight中默認(rèn)的工況與載荷都是針對(duì)CSR船舶的。本文的研究對(duì)象為非CSR船，其工況與載荷均需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，包括裝載模式、貨物壓力和波浪對(duì)舷外水壓力的修正等。結(jié)合LR要求，確定了11種工況作為校核工況，包括2種均勻裝載工況、1種壓載工況、3種港內(nèi)工況和5種多港工況。表1給出其中4種典型的工況裝載模式和載荷信息。此裝載模式中間是1號(hào)貨艙、左側(cè)為2號(hào)貨艙、右側(cè)為首尖艙，首尖艙內(nèi)無貨物且無壓載艙，均為空載。

2.3 載荷修改

在ShipRight中，將每一工況的載荷分為兩部分：總體載荷和局部載荷。總體載荷指兩端面所施加的端面彎矩，局部載荷包括結(jié)構(gòu)自身重力、貨物壓力、舷外水壓力以及壓載水的壓力等?？傮w載荷和局部載荷分別產(chǎn)生總體工況應(yīng)力和局部工況應(yīng)力，最后將2種應(yīng)力組合得到相應(yīng)工況下的實(shí)際應(yīng)力。

默認(rèn)裝載工況中，貨物密度為3 t/m3，本文中需要將貨物密度等于1.5 t/m3的貨物壓力進(jìn)行修改。按照的計(jì)算方法[4]，將貨物壓力通過建立場(chǎng)函數(shù)[6]，加載到對(duì)應(yīng)首部貨艙模[型中。]

波浪對(duì)舷外水壓力的修正根據(jù)ShipRight SDA直接計(jì)算指南[4]確定。將經(jīng)過波浪修正的舷外水壓力、貨物壓力以及壓載艙內(nèi)的壓載水壓力通過對(duì)應(yīng)的場(chǎng)函數(shù)施加在模型的相應(yīng)位置上。在模型兩端面中和軸高度處分別建立獨(dú)立點(diǎn)，通過MPC與端面內(nèi)的節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)。邊界條件的選取根據(jù)ShipRight SDA直接計(jì)算指南[5]而定。

表1 四種典型工況的裝載模式及彎矩載荷Tab.1 Loading mode and bending moment of four typical conditions

表2 部分結(jié)構(gòu)在合成工況下的最大應(yīng)力（單位：MPa）Tab.2 The maximum stress of some structures under the combined conditions（unit: MPa）

2.4 強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算流程和方法，對(duì)該自卸式散貨船的首尾貨艙進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，部分結(jié)構(gòu)在合成工況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示，包括單元局部坐標(biāo)系下的最大軸向應(yīng)力值σ和合成應(yīng)力值σe，許用應(yīng)力分別取值為0.92σ0和σ0，其中σ0=315 MPa。圖8為首貨艙整體應(yīng)力云圖，圖9～圖13分別為上甲板、內(nèi)殼板、舷側(cè)板、船底板、內(nèi)底板應(yīng)力云圖。

圖13 內(nèi)底板應(yīng)力分布云圖

Fig.13 Stress distribution of inner bottom shell plate

表3 首貨艙結(jié)構(gòu)在合成工況下的屈曲因子計(jì)算結(jié)果（部分）Tab.3 The calculation results of the buckling factor of bow cargo hold structure under the combined conditions（part）

首貨艙結(jié)構(gòu)的屈曲因子[7]計(jì)算結(jié)果如表3所示，屈曲因子需大于1，低于1的板格不滿足屈曲強(qiáng)度要求，需要進(jìn)行加強(qiáng)，本文采取加筋的方法進(jìn)行屈曲加強(qiáng)處理。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，首貨艙的屈服應(yīng)力能滿足規(guī)范的要求，但部分板格的屈曲強(qiáng)度不夠，需要加強(qiáng)。在艙口角隅處，上甲板、內(nèi)殼板等接近艙口角隅的部位應(yīng)力較大，應(yīng)該適當(dāng)增加板的厚度，以降低該部位的應(yīng)力。

值得說明的是，舷側(cè)板和船底板的板格均為曲面板格，其屈曲能力比平板高，因此加筋后屈曲因子接近1是可以接受的。通過加筋加強(qiáng)后，結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度均滿足要求。

3 C-Loop局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及加強(qiáng)方案

吊臂架的校核工況包括：吊臂架水平工作工況、吊臂架起吊18°工作工況和吊臂架擱置工況（其中吊臂架擱置工況有3種情況），共5種工況，分別編號(hào)為L(zhǎng)C1，LC2，LC3，LC4，LC5，5種工況的屈服強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表4所示。

針對(duì)C-loop結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)分別校核，需要校核的應(yīng)力包括單元局部坐標(biāo)系下的最大軸向應(yīng)力值σ、剪應(yīng)力τ、合成應(yīng)力σe，相應(yīng)的許用應(yīng)力分別取為0.63σ0，0.42σ0，0.75σ0，其中σ0=315 MPa。圖14和圖15分別為C-loop結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)在LC1時(shí)的合成應(yīng)力分布云圖。

C-loop結(jié)構(gòu)及其支撐結(jié)構(gòu)的屈曲因子計(jì)算結(jié)果如表5所示，要求板格的屈曲因子大于1，結(jié)合LR要求，此處取最小屈曲因子為1.1，低于1.1的板格需加強(qiáng)。

表4 C-loop結(jié)構(gòu)及其支撐結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）Tab.4 Calculation results of yield strength of C-loop structure and its support（unit: MPa）

表5 C-loop結(jié)構(gòu)及其支撐結(jié)構(gòu)的屈曲因子計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of yield strength of C-loop structure and its support

由計(jì)算結(jié)果可看出，C-loop結(jié)構(gòu)及其支撐結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。吊臂架水平旋轉(zhuǎn)卸貨（LC1）和吊臂架起吊18°（LC2）工況下，有些板格的屈曲因子不能滿足要求，其位置出現(xiàn)在C-loop前后壁正下方的支撐艙壁處，需要加強(qiáng)。C-loop結(jié)構(gòu)與甲板連接處的應(yīng)力較大，因此要適當(dāng)增加連接部位的板厚。

本文采取加筋的方法進(jìn)行屈曲加強(qiáng)處理，針對(duì)不滿足屈曲強(qiáng)度要求的板格加筋處理后，其屈曲因子也滿足規(guī)范要求。加筋和增加板厚均能提高板格的屈曲因子，但加筋更方便簡(jiǎn)單。在類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意板格的屈曲強(qiáng)度。

4 結(jié) 語

本文以首貨艙為例，針對(duì)非CSR自卸式散貨船的屈服、屈曲分析方法與流程進(jìn)行了詳細(xì)的描述和計(jì)算分析。通過強(qiáng)度評(píng)估可知以下幾點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意：1）在首艙上甲板艙口角隅處應(yīng)力較大，此處也容易發(fā)生應(yīng)力集中，要適當(dāng)?shù)脑黾悠浒搴瘛?）吊臂卸貨時(shí)，將載荷通過C-loop傳遞至其支撐結(jié)構(gòu)，C-loop與主甲板相連接處的應(yīng)力較大，且隨著吊臂架旋轉(zhuǎn)容易出現(xiàn)周期應(yīng)力，因此要適當(dāng)增加連接處板的厚度。3）首部貨艙的大斜板、內(nèi)殼板等結(jié)構(gòu)，部分板格較大，屈曲強(qiáng)度較弱，可以通過增加板厚和加筋來增加其屈曲強(qiáng)度。當(dāng)屈服強(qiáng)度滿足要求，而屈曲強(qiáng)度較弱時(shí)，加筋是一種提高屈曲強(qiáng)度的簡(jiǎn)便易行的方法。4）加強(qiáng)筋沿板格應(yīng)力較大的方向布置，能獲得最好的效果。

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Strength assessment and reinforcements of self-unloading bulk carrier

CUI Hong-kui1,2, XIA Li-juan1,2, ZHAO Peng-fei1,2
(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China)

In this paper, both yield strength and buckling strength of bow cargo hold, stern cargo hold and the C-loop structure are analyzed based on a 68 000 tons of None-CSR bulk carrier. Further, some reinforcements are recommended. The calculation procedure, reinforcements and conclusions in this paper have certain reference significance for similar ships.

self-unloading bulk carrier；yield strength；buckling strength

U663.5

A

1672 – 7619(2017)06 – 0057 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.012

2017 – 04 – 07；

2017 – 05 – 23

崔紅奎(1989 – )，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇w結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)。