82000dwt散貨船結構強度有限元分析

劉 文 華

（上海船舶研究設計院，上海 200032）

0 引 言

82000t散貨船屬于巴拿馬型散貨船，根據巴拿馬運河當局的規定[1]，船長不能超過289.6m，船寬不能超過32.3m。對本船設計影響較大的規范是2006年4月1日生效的散貨船共同結構規范和2009年1月1日生效的國際海上人命安全公約（SOLAS）破艙穩性規則。前者決定了船體結構的構件尺寸，后者對貨艙長度的選取有很大影響。本船的母型船不滿足后者要求，需要改變貨艙長度。

為研究規范變化對船體結構強度的影響，首先按照美國船級社（ABS）2005規范[2]要求，采用SAFEHULL V12.0對母型船貨艙結構強度進行分析。其次根據國際船級社協會（IACS）在2008年7月和 2009年 7月推出了散貨船共同結構規范（CSR）新版本[3,4]，采用MSC Patran/Nastran及中國船級社開發的軟件CCS-Tools，對新船型的貨艙結構強度進行了計算。

1 基于ABS規范2005版的母型船有限元分析

根據ABS 2005規范第5部分第3章要求， 進行有限元分析時，構件需采用凈厚度（總厚度減去名義腐蝕值），進行有限元分析的工況有10種，有限元建模按指南要求[5]，采用三艙段模型，網格大小為肋骨間距。本文利用Patran建模，手工扣除腐蝕余量，再導入SAFEHULL加載，母型船的有限元模型見圖1。通過對10種工況的計算結果進行分析，發現母型船的設計合理，結構強度滿足規范要求。限于篇幅，僅給出工況1的艙段變形及應力云圖，見圖2。

圖1 母型船有限元模型

圖2 母型船艙段變形及應力云圖（工況1）

2 基于 CSR2008版的新船型有限元分析

2.1 CSR簡介

CSR綜合了IACS成員的經驗與研究成果。同原有的各船級社規范相比，在設計理念、理論基礎和強度計算方法上有很大改變。較原規范主要依據統計回歸和經驗的設計，新規范更多地應用了先進的力學理論，結構設計和評估需要更多地采用直接計算分析。下面簡要介紹CSR對直接強度計算影響較大的兩個方面：

1)凈尺寸方法

其中：tgross_required——總要求厚度；

tnet_required——凈要求厚度；

tc——腐蝕余量。

其中：tgross_offered——總提供厚度；

tas_built——建造厚度；

t voluntary_addition ——自愿增加厚度。

其中：tnet_offered——凈提供厚度。

模型中構件厚度=tgross_offered-0.5 tc，屈服強度和疲勞強度粗網格計算時；

模型中構件厚度=tgross_offered-tc，屈曲強度計算時。

2)采用等效設計波（EDW）概念

CSR采用等效設計波方法用于設定設計載荷，包括在靜水中和波浪中的船體梁載荷以及與板垂直的側向載荷。與等效設計波對應的載荷工況有 8種，分別為H1、H2、F1、F2、R1、R2、P1和P2。以前的散貨船規范中，對波浪僅考慮波峰和波谷兩種情況，沒有考慮橫浪。等效設計波方法考慮了橫浪，從而使不同裝載模式下直接計算的載荷工況增加。

由于CSR的復雜性，無法用傳統的手工計算方法確定載荷和處理結果。而且，在CSR的直接計算規范中，由于大大增加了工況數以及大量引入細網格和精細網格分析，從而極大地增加了直接計算的工作量。

CSR2008版主要是對文字的編輯性修改[6]，對于有限元分析影響不大。

2.2 屈服強度分析

一般巴拿馬型散貨船有7個貨艙，分別設有重貨艙、輕貨艙和風暴壓載艙。在進行艙段分析時，分別需要建立3個有限元模型進行分析。現對目標艙為輕貨艙兼風暴壓載艙的有限元結果進行介紹。該模型需要分析22種工況，圖3給出了CCS軟件生成工況的界面。經過分析，發現屈服強度不夠的地方主要是靠近橫艙壁處的底邊艙斜板，圖4給出了底邊艙斜板的應力云圖。

圖3 工況定義

2.3 屈曲強度分析

通過分析，發現屈曲強度不夠的地方主要是船底板和甲板。解決的辦法有2種。1種是增加板厚，從而減少壓應力；另1種就是加筋，從而減小板格，滿足屈曲強度要求。圖5給出CCS軟件屈曲計算的界面，圖6給出了上甲板屈曲強度云圖。

圖4 底邊艙斜板Von-Mises應力云圖

圖5 屈曲計算界面

圖6 上甲板屈曲強度云圖

2.4 疲勞強度分析

疲勞破壞是一個極其復雜的過程，各船級社都有關于船舶疲勞強度校核的規定，但存在很大的差別，CSR分別統一了油船和散貨船的疲勞計算方法。對疲勞敏感區進行分析時，須先在整體艙段模型中重新定義載荷及工況，得到結果用于精細網格模型分析。圖7給出了內底與底凳斜板相交處精細網格模型，圖8給出了構件相交處的上表面主應力云圖。

計算結果表明，該處的疲勞壽命低于 25年。為此可參照文獻[7]的方法，對其進行加強：

1)增加折角處內底板的厚度；

2)提高該處焊縫的厚度；

3)對該處焊縫予以打磨（2008版CSR對此方式暫不認可）。 此外，如果是在方案設計階段，可以通過改變結構形式，提高疲勞壽命。但如果改變結構布置，需要重新進行艙段FE建模，工作量很大。

圖7 內底與底凳斜板相交處精細網格模型

圖8 上表面主應力云圖（工況1-1）

3 基于 CSR2009版的新船型有限元分析

3.1 CSR2009版主要修訂點

本次規范修訂對于有限元分析影響較大的方面有如下幾點：

1)腐蝕余量。重新定義壓載艙 3m 范圍的區域，底邊艙斜板的腐蝕余量將減少0.5mm。

2)邊界條件。增加模型尾端獨立點繞 X軸的轉角，這將對上甲板屈曲計算結果有較大的影響。

3)相對撓度的定義。在這次規范修訂中更加明確，從實際計算看，影響不大。

4)焊接殘余應力的定義。在這次規范修訂中變化很大，對接焊縫和十字型焊縫的殘余應力都將為零，這樣有可能減少平均應力系數，從而增加構件的疲勞壽命。

5)本次規范修訂中增加了焊縫打磨的影響，這將有利于增加構件的疲勞壽命。

3.2 屈服強度分析

通過分析，邊界條件的改變對構件屈服強度的影響不大，構件屈服強度不夠的區域分布規律與之前的相同。需指出的是，上甲板區域的相當應力減小的范圍，與文獻[6]中的計算結果相似。從表1中可以看出，邊界條件修改后，上甲板的應力值降低。

3.3 屈曲強度分析

計算結果表明，邊界條件的改變對上甲板的有限元計算結果有較大影響，對其它區域的構件影響不大。分析原因，上甲板由于邊界條件改變，不合理的壓應力值減小，從而增加了屈曲安全系數。

3.4 疲勞強度分析

焊接殘余應力的修改對于壓載艙構件疲勞強度影響不大，但有利于空艙構件。通過焊縫打磨，構件的疲勞強度有明顯的提高，本文的計算結果與文獻[6]一致。圖9給出了文獻[6]中修改焊接殘余應力和焊縫打磨與規范修改前的累積疲勞損傷對比。圖中CSR-B指規范修改前的計算值，mod_1指修改焊接殘余應力后的計算值，mod_1（G）指焊縫打磨后的影響。

表1 甲板條取樣點在滿載斜浪工況（P1）下的應力值[6]

圖9 修改焊接殘余應力和焊縫打磨與規范修改前的累積疲勞損傷對比

4 結 語

新規范、新公約的推出，有力地促進了散貨船的升級。新開發的 82000t散貨船的優化開發是在新規范的指導下完成的。通過母型船和新船型的結構強度分析，得到以下3點結論：

1)CSR加強了船體結構強度直接計算，通過有限元分析可以決定大部分船體構件的最終尺寸；

2)CSR直接計算工作量大，結構在滿足強度的前提下，進行優化設計需要花費大量時間，從而增加了船型優化的周期；

3)CSR的修訂對船舶設計有著積極的影響，加大對規范的研究力度，了解規范的發展動態，對船舶設計有著重要的現實意義。

[1] ACP.Regulation on Navigation in Panama Canal Waters[S].2008.

[2] ABS.Rules for Building and Classing Steel Vessels[S].2005.

[3] IACS.Common Structural Rules for Bulk Carriers[S].July 2008.

[4] IACS.Common Structural Rules for Bulk Carriers[S].July 2009.

[5] ABS.Guidance Notes on Safehull Finite Element Analysis of Hull Structures[S].2004.

[6] IACS.Bulk Carrier CSR – Revision History[S].April 2009.

[7] 詹志鵠.油船公共結構規范中的疲勞強度校核要求[J].艦船標準化工程師, 2005, (6)：17-21.