3 000 t化學品船貨艙段有限元強度直接計算

王建勛

(鎮江市地方海事局,江蘇 鎮江 212003)

3 000 t化學品船貨艙段有限元強度直接計算

王建勛

(鎮江市地方海事局,江蘇 鎮江 212003)

按照《鋼質內河船舶建造規范》(2009)要求對 3 000 t化學品船的貨艙段區域利用 MSC.PATRAN/NASTRAN軟件進行有限元強度分析,給出邊界條件施加方法和載荷計算方法。結果顯示貨艙段各構件均滿足規范要求,最后就一些問題做了初步的分析討論。

化學品船;有限元;貨艙段;強度分析

0 引言

化學品船是一種設計和建造難度較大的高技術、高附加值船型。隨著化學工業滲透到人類社會生活的每一個領域,人們對化工產品的需求越來越明顯。對于化工企業,它所需的原料及其產品的運輸量日益增加,這就相應地促進了化學品船的發展。大多數化學品船的貨艙區域采用碳鋼加特殊涂料制造。采用不銹鋼貨艙的化學品船,由于其耐腐蝕、易保養、便于洗艙,因而越來越受到船東的歡迎。本文根據《鋼質內河船舶建造規范》(2009)對某 3 000 t化學品船 6種工況下貨艙區域的主要構件進行強度評估。

《鋼質內河船舶建造規范》(2009)第 6章“油船船體結構補充規定”第 9節“縱桁架”中規范規定,油船應在貨油艙區域內設置連續雙向縱桁架,縱桁架之間或縱桁架與舷側或縱艙壁之間的距離應不大于 4 m。本船的船體結構設置不滿足規范中這款要求,故按《鋼質內河船舶建造規范》(2009)第 14章“結構強度直接計算補充規定”(簡稱“補充規定”)中的相關要求進行有限元強度的計算及校核。

1 船體說明及有限元模型

1.1 船體說明

3 000 t化學品船為鋼質、單甲板、尾機型、傾斜式首柱、雙機、雙槳、雙流線型舵、柴油機推進的化學品船。船型為 2型,液貨艙任何部位距船體外板處都不小于 760 mm,艙型船舶為 2G,即整體重力液貨艙。本船采用液貨艙區域為縱骨架式、設圍井,中部水平高度 650 mm。艏、艉、機艙為橫骨架式結構。本船裝載苯、甲苯、苯胺、甲醇、乙酸丁酯、乙酸乙酯、丁醇、乙醇等比重 1.025 t/m3以下的化學品。本船航行于長江 A、B航區及 J 2級航段。貨艙區域為雙殼、雙底結構,肋距為 600 mm,雙層底高 850 mm,強框架間距 1 800 mm,設有 6根雙層底縱桁。船舶總長 94.80 m,滿載水線長 92.32 m,垂線間長 90.50 m,型寬 16.20 m,型深 4.90 m,設計吃水 3.80 m。本船內底、內殼及膨脹甲板均采用 304L不銹鋼。

3 000 t化學品船總布置圖如圖1所示。

1.2 有限元模型

3 000 t化學品船為左右對稱結構,貨艙區設置槽型橫艙壁和槽型中縱艙壁。整個模型取 1/2(第3號貨艙)+1(第 4號貨艙)+1/2(第 5號貨艙)。模型范圍:縱向從 Fr 55～Fr 92肋位;橫向為整個船寬;垂向為整個型深(含膨脹甲板)。模型甲板、舷側板、舭列板、船底板、內底板、橫艙壁板、縱艙壁板、肋板、縱桁以及各強構件腹板均采用二維 3、4節點殼單元模擬,其他縱骨、加強筋以及強構件面板等用2節點梁單元模擬。

本模型總節點數為 8 600,單元數為 16 641。模型材料 1:普通鋼,彈性模量為 2.06×105MPa,泊松比 0.3,密度 7.85 t/m3,屈服強度 235 MPa。模型材料 2:304L不銹鋼,彈性模量為 2.05×105MPa,泊松比 0.3,密度 7.85 t/m3,屈服強度 205 MPa。

有限元模型如圖2～圖4所示。

1.3 邊界條件

根據《鋼質內河船舶建造規范》(2009)對于船體中部艙段有限元模型,邊界條件如下:在兩端面中和軸與中縱剖面交點處各建立一個獨立點 N1、N2,端面上的各節點與獨立點進行剛性關聯。在獨立點N1、N2上分別施加線位移約束:即 u1x=u1y=u1z=0,在另一端面所有節點上施加橫向、垂向線位移約束,即 u2y=u2z=0。邊界示意圖如圖5所示。

圖1 3 000 t化學品船總布置圖

圖2 整體有限元模型

圖3 隱去膨脹甲板后的有限元模型

圖5 邊界條件示意圖

1.4 計算工況及荷載

1.4.1 計算工況及模型載荷

根據 3 000 t化學品船穩性計算書及“補充規定”中的相關要求,計算工況見表1。

表1 計算工況

1.4.2 滿載、壓載工況靜波面位置確定

按“補充規定”第 14.2.3.1條中的相關規定,A級航區計算半波高為 r=1.25 m,按坦谷波理論進行計算。坦谷波波面到波軸線垂向坐標為:式中:r為半波高,取 r=h/2=1.25 m;h為波寬,h=2.5 m;λ為波長,λ=L=90.5 m,L為船長。

船舶由靜水進入波浪,其浮態會發生變化。若以靜水線作為坦谷波的軸線,當船中位于波谷時,由于坦谷波載波軸線以上的剖面積比軸線以下的剖面積小,同時船體中部又較兩端豐滿,所以船在此位置時的浮力要比在靜水中小,因而不能處于平衡,船舶將下沉 ξ值,ξ為尾垂線處較靜水時的沉值;而當船中在波峰時,一般船舶要上浮一些。另外,由于船體首、尾線型不對稱,船舶還將發生縱傾變化。為了求靜波浪剪力和彎矩,首先必須確定船舶在波浪上的平衡位置。

(1)滿載出港(貨物密度 0.844 t/m3及 1.025 t/m3)時中垂狀態靜波面計算

取滿載出港為計算載況,首吃水 df0=3.753 m,尾吃水 da0=3.841 m,波軸線移動距離 ε=0.5 m。

滿載出港靜波面計算過程見表2。

計算得∑2、∑3、∑5、∑6、∑7,并代入下列方程式:

代入方程可得波軸線移動參數:

可得中垂狀態下船舶平衡的首、尾吃水:

(2)壓載出港中拱狀態靜波面計算

壓載出港時,首吃水 df0=2.298 m,尾吃水 dao=2.758 m,ε=-0.5 m。

2 許用應力衡準

許用應力衡準是根據《鋼質內河船舶建造規范》(2009)中表14.3.6.6選取,普通鋼結構許用應力見表3。304L不銹鋼結構許用應力見表4。表中:σe為板單元表面相當應力;σl為板單元中面沿船長方向應力;σz為梁單元節點合成應力,+σz表示組合拉應力,-σz表示組合壓應力;τ為板單元剪應力。

表2 滿載出港靜波面計算過程

表3 普通鋼結構應力衡準

表4 304L不銹鋼結構應力衡準

3 計算結果

應力評估區域選取第 4號貨艙 Fr 64橫艙壁到Fr 84橫艙壁之間主要結構。6種工況下第 4號貨艙段的應力云圖如圖6～圖11所示。

4 結語

化學品船由于承運貨品危險性大,牽涉到的防火、防爆、防污染條款比較多,對于結構布置、強度校核及材料選取造成很大影響。結構設計在方案設計階段充分考慮相關條款的限制條件,對于完善設計是非常重要的。

從有限元計算結果看,整個貨艙段的應力水平不是太高。通過找出強度不足的構件適當加強,強度過剩的構件適度減小,從而達到材料的合理分配和使用,可達到節省鋼材、降低船舶自重、提高載貨量的目的,進而提高該船的經濟性。

在 L C 1工況中,貨艙第 1號和第6號滿載,其余艙空載,此時船舶處于最大中拱狀態。因此,在 L C 1工況中,絕大部分板單元或梁單元的應力值最大,但均滿足規范要求。本船的液貨區中縱油密艙壁和橫向油密艙壁均為槽型艙壁,槽型艙壁一般為軋制而成,存在殘余應力,本文未考慮此因素。

[1]王杰德,楊永謙,等.船體強度與及結構設計[M].北京:國防工業出版社,1995.

[2]中國船級社.鋼質內河船舶建造規范(2009)[M].北京:人民交通出版社,2009.

[3]余遠明.化學品船槽型艙壁節點形式研究[J].船海工程,2004,(5):16-18.

[4]韓海林,孫莉.3 000t化學品船設計[J].江蘇船舶,2009,26(5):10-13.

U661.43

A

2010-06-10

王建勛(1967-),男,工程師,主要從事審圖工作。