基于有限元法的96.8米散貨船總縱及橫向強度評估

馮朝富　張偉

摘 要:本論文以一艘96.8m散貨船為對象,采用有限元軟件,根據CCS《鋼質內河船舶建造規范(2009)》的要求,建立中部艙段模型,對船體結構進行總縱強度和橫向強度評估。結果表明,該散貨船艙段的主要構件均能滿足09規范的強度要求。

關鍵詞:散貨船總縱強度橫向強度有限元法

中圖分類號:U663 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)07(c)-0006-02

隨著世界經濟的不斷發展,船舶運輸的作用日益重要。由于全球對散貨運輸的大量需求以及散貨運輸特有的廉價和方便,散貨船運輸在海上貨物運輸中所占的地位日益重要,在貨運總量中所占的比重也越來越大,運輸量占所有海上貨運總量的33％,僅次于油輪運輸[1]。船舶在營運過程中經常會發生海損事故,造成經濟損失和人員生命安全等問題,所以研究船舶強度一直以來都是人們所關注的問題[2]。

1 有限元計算總縱強度

本船為雙層底、雙舷側、單甲板、抗扭箱、舷側與首尾為橫骨架式,貨艙雙層底為縱骨架式,運輸干散貨。本船的主尺度及主要參數為:總長96.80m,兩柱間長91.70m,型寬16.10m,型深7.38m,設計吃水6.48m,方型系數0.852。

1.1 有限元模型

因為實船只有兩個貨艙,根據CCS《鋼質內河船舶建造規范(2009)》(以下簡稱09規范)[3],該艙段模型縱向范圍從Frame39到Frame114,橫向范圍為船體型寬,垂向范圍為船體型深,中間有一道橫艙壁,有限元模型見圖1。

1.2 邊界條件

根據CCS《鋼質內河船舶建造規范(2009)》,對于中部艙段有限元模型,在兩端面中和軸與中縱剖面交點處各建立一個獨立點A、B,端面上的各節點與獨立點進行剛性關聯;兩端面施加端面彎矩,分別選取靜水中拱、靜水中垂、波峰在舯和波谷在舯時的船舶總縱彎矩絕對值最大的彎矩曲線,插值得到計算艙段前、后端面的彎矩,并將它們施加到獨立點A和B上。

1.3 載荷施加[3]

本論文選取總縱強度載荷最大,最危險的工況—滿載到港,進行具體研究。載荷包括舷外水壓力、貨物重量、結構自重。舷外水壓力載荷應根據計算工況船舶處于平衡狀態時的波面,按壓力分布施加到模型的濕表面各單元上。貨物載荷應根據計算工況的貨物分布,按分布力施加到甲板或底板相應單元上。結構重量載荷應根據空船重量分布,以適當方式施加到模型上。

1.4 計算結果

采用有限元分析方法進行直接計算,可以得到強力甲板以下各構件的應力值,將各主要構件應力值與許用應力值進行比較,結果如表1所示,該散貨船艙段主要構件的總縱強度基本能滿足09規范要求,但局部存在應力集中現象,主要是在甲板艙口角隅處,超過了許用應力值,有待加強。

1.5 甲板艙口角隅處的加強

艙口角隅板的原始尺寸為:厚18mm,圓弧半徑600mm。將以下四種艙口角隅板尺寸的計算結果進行對比分析,具體數值見表2。(1)厚度18mm,圓弧半徑0.6m。(2)厚度24mm,圓弧半徑0.6m。(3)厚度18mm,圓弧半徑1.2m。(4)厚度24mm,圓弧半徑1.2m。

由表可知:加大厚度的最大相當應力比原來減小5MPa;加大尺寸的最大相當應力比原來減小20MPa;兩者同時改變的最大相當應力比原來減小35MPa。由此可得出結論:兩種加強措施對解決應力集中均有效,而且加大圓弧尺寸效果更明顯,值得推廣。

2 橫向強度計算

有時船體的總強度雖能保證,但橫向強度不一定能保證,其影響程度一般雖不屬全船性的,但它往往影響船舶的正常作業,在某些情況下也會擴及全船(整個平臺)。為了保證散貨船船體結構在正常使用過程和一定的使用年限具有不破壞或不發生過大變形的能力,有必要進行船體橫向強度計算][4]。

2.1 有限元模型

模型范圍為半寬模型,艙段模型的縱向范圍從肋位Fr39到肋位Fr114;垂向范圍為船體型深。模型的兩端(簡稱A端和B端)和中縱剖面(CL)均需約束,詳細邊界條件按09規范要求施加,載荷也包括舷外水壓力、貨物重量、結構自重,和1.3節載荷相同。

2.2 計算結果

參考09規范,各主要構件的最大應力匯總見表3。可得出結論:縱向構件的應力值有所減少,橫向構件的應力值有所增加,總體而言該散貨船艙段主要構件的橫向強度均能滿足09規范要求。

3 結語

本文根據CCS《鋼質內河船舶建造規范(2009)》的要求,選擇了滿載到港工況,對96.8m散貨船進行了總縱強度和橫向強度評估,通過對計算結果的分析,得到了如下結論:(1)該96.8m散貨船的總縱強度和橫向強度,在滿載到港工況下,加以具體載荷,基本能滿足09規范要求,而且此規范的許用應力值比其他規范的低,即要求更高。(2)該船局部存在應力集中現象,主要是在甲板艙口角隅處,與船中其他區域相比,此處應力明顯較大,且超過了許用應力值。對艙口角隅處采取加強措施,即加大板厚和尺寸,然后將對應的兩個計算結果進行對比分析可得到,應力均有所減小,但加大尺寸的效果比加大板厚更有效。

參考文獻

[1] 關昊.干散貨國際航運市場及其波動周期研究.復旦大學碩士學位論文.2009.

[2] 張偉.某散貨船結構強度分析.大連海事大學碩士學位論文.2009:1.

[3] CCS散貨船結構強度直接計算分析指南(2003).北京:人民交通出版社,2003.

[4] 謝永和,王偉.散貨船橫向強度有限元分析.船舶工程:2007,6(29).