江海通航船貨艙結構強度有限元分析

(中國船級社武漢規范研究所，武漢 430022)

江海通航貨船由于航行條件特殊(既航行于內河又航行于海洋)、裝運貨種的多樣性、貨艙裝載狀況的多變，因此貨艙段的應力情況較復雜，對貨艙的結構強度進行校核是十分必要的。

針對某江海通航貨船的貨艙結構建立有限元模型，選定兩種典型工況(滿載出港和壓載到港)進行強度分析。

1 艙段建模

1.1 貨艙艙段幾何結構

為分析江海通航貨船的總強度情況，通過建模計算分析貨艙在選定典型工況下的應力情況。

計算模型是由某江海通航貨船#38～#85肋位區間，包括半個機艙、第2貨艙、半個第1貨艙的所有結構組成，三維模型整體結構見圖1。

由于載荷對稱、結構對稱，模型考慮一半(左舷部分)；主要分析對象為第2貨艙，為盡量消除邊界的影響，在第2貨艙兩端考慮了半個機艙和半個第1貨艙，由圣維南原理可以知道，計算模型應該能夠基本上反映江海通航貨船貨艙第2貨艙的真實應力場[1-2]。

1.2 貨艙艙段有限元模型

根據上面幾何模型，采用ANSYS有限元軟件進行有限元劃分見圖2。

圖2 艙段有限元模

在建立有限元模型時，作了如下簡化和假設：

1) 僅考慮材料的線彈性物理特性，不計結構由于大變形產生的幾何非線性效應，所有的計算都按線彈性理論；

2) 不考慮立體艙段的線型的變化，全部采用平行中體的剖面建立艙段模型；

3) 將焊接部分作為本體材料進行建模。

為了能分析如腹板、面板等局部結構上的應力，而且考慮到計算量并不是障礙，故采用了平面殼單元(shell63)和三維梁(beam188)單元；支柱采用link1單元；而且根據對稱性，只建立模型的一半。整個有限元模型共有9 240個shell63單元，5 363個beam188單元；56個link1單元，2個mass21單元。

船體材料為船用A級鋼，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比υ=0.3，密度ρ=7.8×10-9t/mm3，屈服極限σs=235 MPa.

2 邊界條件及載荷工況

計算時采用的坐標系是整體笛卡兒坐標系，計算模型的x方向、x方向、z方向分別為船寬、型深、船長方向，坐標原點在縱中#50肋位處。

2.1 邊界條件

1) 縱中剖面上節點施加對稱邊界條件[3]：

Ux=0Roty=0Rotz=0

2) 端面約束。在端面形心處建立-剛性點(主節點)。

端面A的剛性點約束為Ux，Uy，Uz，Roty，Rotz。端面B的剛性點約束為Ux，Uy，Roty，Rotz。

模型的邊界條件見圖3。

圖3 模型的邊界條

2.2 計算工況

1) 滿載出港。吃水d=5.1 m，載貨量：第1貨艙2 300 t，第2貨艙2 700 t。

2) 壓載到港。吃水d=2.69 m，壓載水1 594 t。

外載選取及施加參考文獻[4]。

(1)空船重量。程序自動施加。

(2)機艙重量。轉化為節點力施加在基座上。

(3)舷外水壓力。靜水和波浪相疊加用APDL語言編程實現自動施加。

波浪的平衡位置的求得是通過在AUTOCAD中求出濕表面積進而求出排水量，通過調整水線位置，使AUTOCAD中求出排水量與該船穩性計算對應狀態的排水量的誤差不超過3%。

(4)艙內貨物壓力。

(5)滿載出港時甲板上的水動壓力。

(6)端面彎矩。

(7)壓載水壓力。

3 計算結果

去掉邊界條件的影響，取出中間艙段第2貨艙，其應力情況是可靠的。

3.1 有限元計算結果

兩種計算工況的第二貨艙有限元計算結果見表1，各構件的von Mises應力云圖見圖4～11。

表1 兩種工況的有限元計算結果 MPa

續表1 MPa

圖4 滿載出港艙口圍板應力云

圖5 滿載出港內底板應力云

圖6 滿載出港剪切應力云

圖7 滿載出港梁應力云

圖8 壓載到港艙口圍板應力云

圖9 壓載到港內底板應力云

圖10 壓載到港貨艙梁應力云圖

圖11 壓載到港剪切應力云

由表1和圖4～11知：

對滿載出港工況，板的最大von Mises應力為149.056 MPa，最大應力發生在艙口圍板的艙口角隅處；內底板的最大von Mises應力為135.019 MPa，發生在內底板與第2根旁桁材、橫艙壁相交處；普通骨材的最大應力為156.2 MPa，發生在第2貨艙首端邊艙甲板縱骨與橫艙壁相交處；最大切應力為56.868 MPa，發生在第2貨艙尾端斜板與橫艙壁相交處。

對壓載到港工況，板的最大von Mises應力為156.069 MPa，最大應力亦發生在艙口圍板的艙口角隅處；內底板的最大von Mises應力為113.640 MPa，發生在內底板與第二根旁桁材、橫艙壁相交處；普通骨材的最大應力為126.223 MPa，發生在發生在第2貨艙首端邊艙甲板縱骨與橫艙壁相交處；最大切應力為46.630 MPa，發生在第2貨艙首端艙口內舷板與橫艙壁相交處。

3.2 梁模型計算結果

從本船《總縱強度校核計算書》可得兩種計算工況的梁模型計算結果，見表2。

表2 兩種計算工況的梁模型計算結果 MPa

比較表1和表2可知：有限元計算結果應力略小于傳統的梁理論計算結果，傳統的梁理論計算偏于保守，有限元計算精度較高，對合理設計船舶結構有積極意義。

4 強度分析

根據CCS《散貨船結構強度直接計算分析指南》(2003)第7章7.2之表7.1的規定，考慮到船體結構材料的最大屈服應力σs=235 MPa，許用應力見表3。

表3 許用應力 MPa

而艙段模型在選定的兩種工況下最大von Mises應力均小于上表之值許用應力，故船體結構強度是滿足設計要求的。

5 結論

1) 兩種典型計算工況的最大應力均發生在艙口角隅處，雙層底部分最大應力也均發生在內底、橫艙壁和第2根旁桁材相交處。這與同類江海通航實船使用中的反饋情況極為相符。在設計同類船舶時合理設計艙口角隅，適當增加第2根旁桁材的厚度或合理設計內底、橫艙壁和第2根旁桁材相交處的節點，對改善江海通航貨船的強度是必要的和有利的。

2)從有限元計算結果看，整個貨艙段的應力水平不是太高，可采用有限元直接計算對原船結構進行優化，可達到節省鋼料提高載貨量的目的，從而可提高該船的經濟性。

3)由于該船是按CCS海船規范設計的江的從武鋼到北侖特定航線的江海通航船，從該船營運近10年的情況良好看，該船結構有一定的裕度。建議制定一種適合此特定航線的、強度標準適中的江海通航船的規范標準。

[1] 趙耕賢.船舶與海洋結構物設計中的關鍵技術之一：結構強度[J].船舶, 2000(6): 22-35.

[2] 巴斯諾夫B A.有限元法在船舶結構計算中的應用[M].北京： 國防工業出版社, 1977.

[3] 中國船級社.散貨船結構強度直接計算分析指南[M].北京： 人民交通出版社, 2003.

[4] 顧曄昕，詹志鵠，湯明文，等.集裝箱船整船結構三維有限元強度分析方法研究[J].中國造船，2001，42(3)：15-21.