有限元法甲板運(yùn)輸船全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

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(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063；2.臺(tái)州市港航管理局，浙江 臺(tái)州 318000 )

甲板運(yùn)輸船因具有船體結(jié)構(gòu)及設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便，造價(jià)和管理維修費(fèi)用低、利用率高等優(yōu)點(diǎn)而深受船東的歡迎。為了降低成本，該類船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般都采用規(guī)范允許的最低強(qiáng)度限度。船舶在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中存在結(jié)構(gòu)破壞的事故隱患，所以分析此種船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度非常重要。目前，全船有限元直接計(jì)算是分析船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直觀而準(zhǔn)確的方法之一[1]。

1 船型介紹

此系列船為連續(xù)單甲板、單舷、單底鋼質(zhì)全電焊結(jié)構(gòu)、全船除船底區(qū)域采用縱骨架式結(jié)構(gòu)外，其余區(qū)域全部為橫骨架式結(jié)構(gòu)，尺度要素見表1。

表1 自航甲板駁尺度要素

2 模型及邊界條件

取全船(忽略上層建筑)范圍內(nèi)的船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件建立三維有限元模型。取右手直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)O位于Fr 0船底中線處，X軸沿船舶的縱向，向艏為正；Y軸沿船舶的橫向，向左舷為正；Z軸正方向垂直向上。

邊界條件采用慣性釋放的方法[2]。

3 載荷和計(jì)算工況

在計(jì)算模型中，載荷包括貨物壓力、空船重量、舷外水壓力；計(jì)算工況為：滿載出港、滿載到港、壓載出港、壓載到港。

3.1 貨物壓力(包括貨物和壓載水)

貨物載荷以面壓力的形式施加。按照CCS《散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南(2003)》，貨艙內(nèi)的貨物壓力通過(guò)下式計(jì)算確定。

Pi=10ρc(1+0.35a0/Cb)kbD

得到3艘船的貨物壓力在甲板上的分布函數(shù)：

1)96 m船。

(-2.35X2+24.96X+183.7)/1 000;

2)85 m船。

(-2.35X2+24.96X+160.52)/1 000;

3)75 m船。

(-2.97X2+24.96X+150.4)/1 000。

通過(guò)場(chǎng)函數(shù)的形式施加到相應(yīng)的甲板區(qū)域。

甲板駁船不裝載貨物時(shí)需要壓載，壓載水以靜水壓力的形式施加，設(shè)計(jì)船的型深為D，海水密度取ρ=1.025 t/m3。

壓載水壓力的分布函數(shù)為ρ×9.81×10-6×(D-′Z)。

3.2 空船重量(包括船體結(jié)構(gòu)自身的重量、設(shè)備舾裝等的重量)

在進(jìn)行全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)，空船重量也是主要的載荷。要讓計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況，空船自身重力應(yīng)該與由舷外水壓力產(chǎn)生總的浮力盡量接近，重心位置與浮心位置也應(yīng)該盡量接近[3]。空船重量載荷的加載方法為將重量等效為加載在全船所有節(jié)點(diǎn)上的集中力。按照空船重量分布曲線，將船體分為幾段，再將每段的重量等效為集中力載荷加載在每個(gè)分段的節(jié)點(diǎn)上。

3.3 舷外水壓力

使用DNV的SESAM軟件計(jì)算波浪載荷，該直接計(jì)算方法基于三維線性勢(shì)流理論，采用的波浪譜是P-M雙參數(shù)譜，它是參照國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)推薦和認(rèn)可的波浪長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)資料。

波浪載荷設(shè)計(jì)計(jì)算值取為10-8概率水平(代表設(shè)計(jì)壽命為20 年)。通過(guò)SESAM軟件可以得到各工況下的沿船長(zhǎng)分布的彎矩和對(duì)應(yīng)的頻響，而最大彎矩與頻響的比值就是該海域的等效波高。

確定波高后，利用坦谷波計(jì)算式得到該工況波浪中拱和波浪中垂?fàn)顟B(tài)下的波面形狀，將波面形狀用Matlab擬合成4次多項(xiàng)式函數(shù)曲線。船底基線處的壓力由波面高度決定，波面處的壓力為零，舷外水壓力載荷根據(jù)計(jì)算工況船舶處于平衡狀態(tài)時(shí)的波面，將波面曲線處理成場(chǎng)函數(shù)的形式施加到模型外板各有限元單元上。

4 計(jì)算結(jié)果

危險(xiǎn)工況的計(jì)算結(jié)果見表2、3，主要結(jié)構(gòu)單元形心處中面von Mises應(yīng)力云圖見圖1～3。

計(jì)算結(jié)果表明，此系列船結(jié)構(gòu)在滿載出港、滿載到港、壓載出港、壓載到港(波浪中拱、中垂)4種工況的設(shè)計(jì)載荷作用下，各項(xiàng)應(yīng)力的水平均在《散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析指南(2003)》規(guī)定的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)[4]，高應(yīng)力區(qū)域還有一定的裕度，所以本系列船結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件(板殼結(jié)構(gòu))的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 滿載出港中垂工況 MPa

圖1 96、85、75 m甲板板單元形心處中面von Mises應(yīng)力云圖

表3 滿載到港中垂工況 MPa

圖2 96、85、75 m船底板板單元形心處中面von Mises應(yīng)力云圖

圖3 96、85、75 m船底縱桁板單元形心處中面von Mises應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

在滿載出港波浪中垂危險(xiǎn)工況下三條船的應(yīng)力分布呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：貨艙區(qū)船體中段結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較艏艉部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平高。其中甲板在船中部貨艙區(qū)域應(yīng)力值較高，逐步向船艏艉兩端減小，但在與艏艉相接處有局部高應(yīng)力區(qū)；甲板沿寬度方向的應(yīng)力分布非均勻，由應(yīng)力云圖可以看出，舷側(cè)處應(yīng)力較大，沿船寬方向向船中逐漸減小；船底板應(yīng)力分布趨勢(shì)與甲板相同；機(jī)艙的前端壁和后端壁處應(yīng)力值較高。

甲板、舷側(cè)外板、縱艙壁、船底縱桁和甲板縱桁是承受總縱彎曲應(yīng)力的主要構(gòu)件，應(yīng)力水平較高，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)要給予高度重視。

[1] 羅秋明.超大型礦砂船全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算及內(nèi)部貨物載荷分布研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[2] 張少雄，楊永謙.慣性釋放在油船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算中的應(yīng)用[J].船海工程，2004，(4)：4-6.

[3] 王杰德，楊永謙.船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

[4] 中國(guó)船級(jí)社.散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析指南[S].北京：人民交通出版社，2003.