趙階保

（安徽省淮河船舶檢驗(yàn)局，安徽 蚌埠 233000）

海上貿(mào)易運(yùn)費(fèi)一路下跌，燃料成本上升，國(guó)內(nèi)集裝箱運(yùn)輸受到?jīng)_擊，為追求運(yùn)輸集裝箱的經(jīng)濟(jì)效益，船舶設(shè)計(jì)在機(jī)艙甲板處載運(yùn)集裝箱，對(duì)機(jī)艙甲板局部強(qiáng)度影響很大，裝載不當(dāng)不僅會(huì)導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)破壞，而且局部結(jié)構(gòu)的破壞還可能傳遞到其它結(jié)構(gòu)，甚至造成整個(gè)船體結(jié)構(gòu)的破壞[1]。本文以93.88m 內(nèi)河多用途船為例，在船舶機(jī)艙甲板設(shè)計(jì)載運(yùn)五層空箱，為最大保護(hù)貨物運(yùn)輸安全性，采用有限元建模驗(yàn)證船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1 船舶主要參數(shù)

船舶總長(zhǎng)93.88m，型寬18.6m，型深6.6m，吃水5.477m，鋼質(zhì)、雙機(jī)、雙槳、雙舵、柴油機(jī)推進(jìn)內(nèi)河多用途船，主要航行于內(nèi)河A、B 級(jí)航區(qū)。由于本船在機(jī)艙主甲板處載運(yùn)集裝箱，參考中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）（以下簡(jiǎn)稱《內(nèi)規(guī)》）的計(jì)算要求，對(duì)其裝載部位主要構(gòu)件，尤其是主甲板構(gòu)件用直接計(jì)算方法進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2 計(jì)算依據(jù)和內(nèi)容

依據(jù)的圖紙資料包括：總布置圖、基本結(jié)構(gòu)圖、尾部結(jié)構(gòu)圖、型線圖、完整穩(wěn)性計(jì)算書等。

對(duì)本船機(jī)艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元直接計(jì)算，參照《內(nèi)規(guī)》第1 章第1.9.7 節(jié)的關(guān)于局部強(qiáng)度有限元直接計(jì)算方法以及許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)本船強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算采用的軟件是MSC.MPatran/Nastran，分析內(nèi)容包括：

（1）艙段結(jié)構(gòu)（#10-#24）建立三維有限元模型。

（2）計(jì)算作用在模型范圍內(nèi)的載荷，舷外水壓力按照 A 級(jí)航區(qū)實(shí)際吃水進(jìn)行計(jì)算。

（3）按照《內(nèi)規(guī)》第1 章1.9.7 節(jié)的要求進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估。

3 有限元模型

采用三維有限元模型進(jìn)行本船機(jī)艙主要構(gòu)件的強(qiáng)度直接計(jì)算，模型范圍取為全寬模型，艙段模型的縱向范圍從肋位Fr10 到Fr24，垂向范圍為船體型深。

圖1 艙段模型示意圖

4 載荷與邊界條件

4.1 計(jì)算工況

表1 各種計(jì)算工況

4.2 空船、空箱載荷

按照設(shè)計(jì)方提供數(shù)據(jù)，空船重量分布以重力加速度的形式施加到模型中。標(biāo)準(zhǔn)空箱載荷共137t 施加在對(duì)應(yīng)箱角上。

圖2 空箱載荷示意圖

4.3 舷外水壓力

舷外水壓應(yīng)按下式計(jì)算，按壓力分布施加到模型各單元上：

P=9.81(h-z) kN/m2

式中：h—計(jì)算水柱高，m，對(duì)于航行工況，取h=d±r，但0 ≤h ≤D，對(duì)于碼頭工況取h=d；d—計(jì)算工況的船舶吃水，m；r—半波高，m，按A 級(jí)航區(qū)取1.25m；D—型深，m；z—單元壓力中心跟基線的距離，m。

4.4 邊界條件

按照 《內(nèi)規(guī)》的1.9.7.5（1）規(guī)定取用邊界條件，在模型全端面所有節(jié)點(diǎn)上施加ux=uy=uz=0 約束，在一舷所有實(shí)肋板的端部節(jié)點(diǎn)施加uy=uz=0 約束，另一舷所有實(shí)肋板的端部節(jié)點(diǎn)上施加uz=0 約束；在橫艙壁與船底板交線兩端的節(jié)點(diǎn)上施加uz=0 約束。

5 計(jì)算結(jié)果及評(píng)估

分別提取各種計(jì)算工況下板單元和梁?jiǎn)卧獞?yīng)力結(jié)果中的最大/最小值，按照強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行衡準(zhǔn)，列舉部分應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖，見(jiàn)圖3-6。

圖3 中拱狀態(tài)板單元形心處中面Von Mises 應(yīng)力

圖4 中垂?fàn)顟B(tài)板單元形心處中面Max shear 應(yīng)力

圖5 中拱狀態(tài)梁?jiǎn)卧?Von Mises 應(yīng)力

圖6 中垂?fàn)顟B(tài)梁?jiǎn)卧?Von Mises 應(yīng)力

各計(jì)算工況下得到的應(yīng)力結(jié)果及強(qiáng)度衡準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 滿載空箱出港中拱/中垂?fàn)顟B(tài)下各構(gòu)件應(yīng)力結(jié)果表（單位：MPa）

6 結(jié)論

計(jì)算結(jié)果表明：在各種工況的載荷作用下，本船機(jī)艙段（#0-#24）結(jié)構(gòu)中的各種板殼結(jié)構(gòu)的板單元應(yīng)力分量，以及各種構(gòu)件上的骨材、加強(qiáng)筋、面板以及梁?jiǎn)卧膽?yīng)力均在表5.1 所示的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，表明本船各種構(gòu)件的強(qiáng)度滿足要求。