87000t散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算

鄭欣彬，張匯平

（1. 上海交通大學(xué)，上海 200030；2. 滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

散貨船是國際航運(yùn)市場(chǎng)的主力船型，散貨船運(yùn)輸占貨物運(yùn)輸?shù)?0%以上[1]。87000t散貨船是在原有系列散貨船基礎(chǔ)上，根據(jù)國際航運(yùn)市場(chǎng)需要而設(shè)計(jì)開發(fā)的，滿足共同結(jié)構(gòu)規(guī)范[2]（CSR）要求的Post-Panamax型雙殼散貨船。

1 船型概述

87000t散貨船為單機(jī)、單槳、球鼻艏、方艉型的雙殼散貨船，滿足共同結(jié)構(gòu)規(guī)范要求，按符合BC-A附加營運(yùn)特性標(biāo)志進(jìn)行設(shè)計(jì)。全船共有7個(gè)貨艙，其中No.1、3、5、7為重貨艙，No.2、4、6為指定空艙組合，No.4貨艙兼作風(fēng)暴壓載艙。

共同結(jié)構(gòu)規(guī)范的實(shí)施使得滿足新規(guī)范要求的散貨船相比以前用鋼量有了明顯的增加，該船為雙殼散貨船，將進(jìn)一步增加空船重量，因此要提高該型船的綜合性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)重量的控制顯得尤為重要。

該船主要參數(shù)如下：

總 長： 229.00m

垂線間長： 221.00m

結(jié)構(gòu)船長： 218.25m

型 寬： 36.80m

（5）對(duì)外開放程度的提升同樣對(duì)產(chǎn)城融合發(fā)展水平的提高具有一定的正向作用。對(duì)外開放程度的影響系數(shù)為1.011，這說明在其他因素保持不變的前提下，當(dāng)外商直接投資額每上升1個(gè)百分點(diǎn)，產(chǎn)城融合發(fā)展指數(shù)將上升1.011個(gè)百分點(diǎn)。這是因?yàn)殡S著外商直接投資額的不斷上升，大量先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)、管理經(jīng)驗(yàn)被引入，增加了工作崗位，不但促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)發(fā)展，也助力了城鎮(zhèn)化的推進(jìn)。

型 深： 19.90m

設(shè)計(jì)吃水： 12.50m

結(jié)構(gòu)吃水： 14.20m

航 速： 14.50kn

載 貨 量： 87000t

2 共同規(guī)范新要求

散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范新的技術(shù)要點(diǎn)包括凈尺寸方法、等效設(shè)計(jì)波、船體梁極限強(qiáng)度、直接計(jì)算分析、疲勞、屈曲等。對(duì)于不同的強(qiáng)度計(jì)算采用不同的腐蝕余量模型，使得計(jì)算更加科學(xué)；通過等效設(shè)計(jì)波確定的船體載荷更為合理；極限強(qiáng)度計(jì)算和直接計(jì)算使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更加明確，能更好地適應(yīng)大型及非常規(guī)船的設(shè)計(jì)；疲勞強(qiáng)度要求的增加保證了船舶壽命期的安全性。

3 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的初始階段，把全船重量控制作為主要目標(biāo)之一，在主船體范圍內(nèi)全部采用縱骨架式結(jié)構(gòu)，并盡可能向艏艉延伸，合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在船體梁的上下緣應(yīng)力較大的區(qū)域使用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材。在艙室布置上，將其中的一個(gè)燃油艙布置在No.3和No.7貨艙頂邊艙，并設(shè)置了雙殼保護(hù)，降低了船體梁彎矩，有利于空船重量的控制。

4 載荷確定

在計(jì)算過程中，船體中部區(qū)域的中拱及中垂設(shè)計(jì)靜水彎矩按共同結(jié)構(gòu)規(guī)范要求以及在總體的初步裝載手冊(cè)的基礎(chǔ)上加 5%的余量選取。采用中國船級(jí)社 JBP_SDP[4]設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)規(guī)范尺寸的計(jì)算。腐蝕余量是根據(jù)模型定義的艙室情況，由軟件進(jìn)行扣除。在建立計(jì)算模型時(shí)，分別建立了重壓載艙、重貨艙以及輕貨艙模型。構(gòu)件強(qiáng)度校核時(shí)考慮了完整工況、進(jìn)水工況和試驗(yàn)工況。規(guī)范計(jì)算過程中對(duì)船體外殼縱骨的疲勞壽命也進(jìn)行校核。設(shè)計(jì)過程中采用溢流法壓載水管理計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

5 船體梁強(qiáng)度計(jì)算

船體梁橫剖面主要由對(duì)船體梁縱向強(qiáng)度起作用的連續(xù)縱向構(gòu)件組成，在對(duì)船體梁進(jìn)行屈服強(qiáng)度校核、極限強(qiáng)度校核及板材普通扶強(qiáng)材和主要支撐構(gòu)件強(qiáng)度校核中的船體梁應(yīng)力計(jì)算時(shí)，這些構(gòu)件應(yīng)采用基于總厚度減去0.5ct（ct：構(gòu)件總腐蝕增量，mm）后提供的凈尺寸；在板格的屈曲計(jì)算時(shí)，構(gòu)件應(yīng)采用基于總厚度減去ct后提供的凈尺寸。

按照中國船級(jí)社規(guī)范計(jì)算軟件CCS-SDP進(jìn)行計(jì)算確定初步結(jié)構(gòu)尺寸，簡要計(jì)算過程如圖1-3所示。

圖1 中剖面特性及構(gòu)件尺寸計(jì)算（重壓載艙）

圖2 橫艙壁構(gòu)件尺寸計(jì)算

在計(jì)算船體梁極限強(qiáng)度時(shí)，按照共同結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求考慮了完整狀態(tài)、港內(nèi)狀態(tài)和進(jìn)水狀態(tài)3種工況，分別包括中垂和中拱狀態(tài)下的情況。

在材料選用方面，上甲板區(qū)域縱向構(gòu)件采用 AH36高強(qiáng)度鋼，其余區(qū)域縱向構(gòu)件采用AH32高強(qiáng)度鋼或普通鋼；槽型橫艙壁采用AH36高強(qiáng)度鋼,其余橫向構(gòu)件采用AH32高強(qiáng)度鋼或普通鋼。全船高強(qiáng)度鋼比例約為70%。

在初步完成中剖面特性和結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算并進(jìn)行優(yōu)化后，再分別選擇貨艙區(qū)兩端幾個(gè)典型剖面進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算。初步確定了87000t散貨船貨艙區(qū)域基于共同規(guī)范的結(jié)構(gòu)尺寸，為下一步的直接強(qiáng)度計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

圖3 船體梁極限強(qiáng)度計(jì)算

6 有限元分析

6.1 有限元模型及邊界條件

由于BC-A散貨船裝載的特殊性，根據(jù)共同規(guī)范的要求，建立了3個(gè)三艙段三維模型，分別用于考察重壓載艙、重貨艙以及輕貨艙。先采用MSC Patran軟件建立基于建造尺寸三艙段有限元模型：扶強(qiáng)材以梁單元和桿單元建模，主要支撐構(gòu)件的腹板加強(qiáng)筋和面板以桿單元建模，板以殼單元建模，并采用線性四邊形單元和三角形單元；網(wǎng)格尺寸等于縱骨間距和舷側(cè)肋骨間距，雙殼主要構(gòu)件在粗網(wǎng)格階段劃分2個(gè)單元，雙底主要構(gòu)件（縱桁、實(shí)肋板）在高度方向劃分為3個(gè)單元。

87000t散貨船首制船入英國勞氏船級(jí)社，因此將建好的有限元模型導(dǎo)入到英國勞氏船級(jí)社的ShipRight SDA計(jì)算程序，進(jìn)行腐蝕尺寸的扣除、艙室定義、載荷施加、計(jì)算求解以及相關(guān)后處理。

三艙段模型建立后，選取了中間貨艙為重壓載艙的模型進(jìn)行分析，見圖4。模型兩端按表1和表2要求簡支。端部兩剖面的縱向構(gòu)件節(jié)點(diǎn)與位于中心線上中和軸處的獨(dú)立點(diǎn)剛性關(guān)聯(lián)，見表1。兩端獨(dú)立點(diǎn)按表2約束。

表1 兩端的剛性關(guān)聯(lián)

表2 獨(dú)立點(diǎn)的支撐條件

6.2 屈服與屈曲評(píng)估

評(píng)估范圍僅對(duì)中貨艙的構(gòu)件包括橫艙壁結(jié)構(gòu)。參考應(yīng)力為有限元分析中得到的平面單元（殼或膜）的中心合成應(yīng)力（Von Mises相當(dāng)應(yīng)力），或線單元（桿或梁）的軸向應(yīng)力。

三艙段粗網(wǎng)格模型模擬了底部肋板為滿足安全通道要求的600mm×800mm的開孔，其他沒有模擬的開孔寬度超過400mm的孔，如縱桁上的開孔，ShipRight SDA程序通過剪切板架調(diào)整剪切應(yīng)力的辦法進(jìn)行適當(dāng)修正，見圖5~12。許用應(yīng)力：235/K N/mm2，K為材料系數(shù)。

圖4 中間艙（CH4）為重壓載艙的有限元模型

圖5 外殼及主甲板應(yīng)力云圖

圖6 內(nèi)底、舭部板、內(nèi)殼及頂邊斜板應(yīng)力云圖

圖7 主要支撐構(gòu)件應(yīng)力云圖

圖8 槽型橫艙壁及上下墩應(yīng)力云圖

根據(jù)散貨船CSR要求，若考察區(qū)域內(nèi)粗網(wǎng)格單元計(jì)算的應(yīng)力超過許用應(yīng)力的95%，則要予以細(xì)化。該船在進(jìn)行屈服強(qiáng)度計(jì)算后的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，控制應(yīng)力均在許用應(yīng)力的95%以下，因而省去了對(duì)結(jié)構(gòu)詳細(xì)應(yīng)力評(píng)估的環(huán)節(jié)。

屈曲校核要求扣除構(gòu)件的所有腐蝕余量。屈曲及極限強(qiáng)度的安全因子取 1.0。計(jì)算結(jié)果顯示：艙段中部的外底板、艙口圍間板格較大的橫向甲板、雙層底中縱桁上的開口區(qū)域、具有較大板格的頂邊艙斜板、底邊艙斜板、實(shí)肋板的開孔區(qū)域、頂邊艙底邊艙強(qiáng)框架等區(qū)域屈曲強(qiáng)度不滿足要求。

圖9 船底板屈曲應(yīng)力云圖

圖10 雙層底肋板屈曲應(yīng)力云圖

圖11 船底板屈曲加強(qiáng)

圖12 FR141底部肋板屈曲加強(qiáng)

船底板的加強(qiáng)措施是采取直接增加厚度，對(duì)舷側(cè)、底邊艙斜板、內(nèi)殼板增加短筋[5]，對(duì)頂邊艙斜板、艙口間甲板采取增加厚度與短筋相結(jié)合，對(duì)底部縱桁以及橫向主要支撐構(gòu)件也采取增加厚度與短筋相結(jié)合，這樣，滿足了屈曲校核的要求，又有效地控制了重量。

6.3 疲勞強(qiáng)度分析

共同結(jié)構(gòu)規(guī)范要求船舶最低疲勞設(shè)計(jì)壽命從全球航行海域 20年延長到北大西洋 25年，所以對(duì)疲勞強(qiáng)度的要求大大提高了。疲勞分析采用子模型法按照 10－4的概率水平計(jì)算設(shè)計(jì)載荷，見圖13。

根據(jù)英國勞氏船級(jí)社（LR）推薦分別建立了底邊艙上下折角，槽型艙壁底墩與內(nèi)底板，槽型艙壁與底墩以及槽型艙壁與頂墩等多處位置的精細(xì)模型。

分別對(duì)重壓載艙、重貨艙以及輕貨艙的多處典型位置的疲勞計(jì)算，輕貨艙和重貨艙的疲勞壽命基本滿足共同結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求，重壓載艙的槽型艙壁與垂直下墩板、垂直下墩板與內(nèi)底的疲勞壽命需要在規(guī)范計(jì)算尺寸基礎(chǔ)上進(jìn)行較強(qiáng)的加強(qiáng)措施后方可滿足要求，見圖14。

圖13 疲勞精細(xì)網(wǎng)格的子模型

圖14 CH4 底凳及內(nèi)底板的疲勞計(jì)算及加強(qiáng)措施

7 結(jié) 語

通過運(yùn)用共同規(guī)范對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接強(qiáng)度計(jì)算，對(duì)主船體貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)的屈服、屈曲、疲勞進(jìn)行全面的分析，雖然結(jié)構(gòu)重量相比以前的規(guī)范要求有較大的增加，使造船成本有所上升，但船體結(jié)構(gòu)在各種工況下都能滿足要求，大大提高了船舶在航行中的安全性。

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[5] 韓天宇，陳國建. 共同結(jié)構(gòu)規(guī)范下的散貨船結(jié)構(gòu)分析[J]. 上海造船，2010, (3): 13-16.