70000 DWT油船的有限元分析

摘 要：本文主要闡述為滿足油船CSR（共同結構規范）要求，進行油船的有限元分析。文中選用了比較典型的雙殼油船貨艙結構來進行有限元分析，為油船的結構設計優化提供理論依據。

關鍵詞：油船；艙段；CSR（共同結構規范）；有限元分析

中圖分類號：663.2 文獻標識碼：A

1 引言

在油船設計中，按照CSR（共同結構規范）要求，船長150 m及以上的船舶必須用有限元分析對船體結構進行強度評估。按規范要求，分析應包括三艙段有限元強度分析（粗網格）、詳細應力分析（細網格）、熱點應力分析（精細網格）。建模使用通用軟件MSC patran/nastran，ABS safeship TSA加邊界條件及載荷。現對某型70 000 噸級油船進行具體有限元分析。

2 建模要求

規范要求中部艙段有限元（FE）模型的縱向范圍應覆蓋船中三個貨艙長度。當中部貨油艙區域的艙室長度不同時，有限元模型的中間貨艙的長度應取最長貨油艙的長度。模型兩端應包括橫艙壁。當貨艙設置槽形橫艙壁時，模型前后端應包括槽形橫艙壁的完整壁凳結構，前后端超出端部橫艙壁的模型長度應相等，模型端部的強框架應一并建模，根據要求，本船的三艙段模型范圍為FR80～FR161，包含三、四、五貨艙段，水密橫艙壁為FR83、FR107、FR131、FR155。

圖1為本船典型橫剖面圖，雙殼雙底，有一道中縱艙壁，有限元需要模擬所有縱向和橫向主要構件，這些構件包括：內殼和外板結構、雙層底肋板和縱桁系統、橫向強框架和垂直桁材、水平桁材、橫艙壁和縱艙壁。構件上所有的板材和骨材、包括腹板加強筋，都應模型化。

圖1 典型橫剖面

對模型中的船體外板、內底、雙層底肋板及桁材、橫向主要構件、甲板采用四節點板殼單元模擬，單元長寬比不大于4：1。在高應力區和高應力變化區，盡可能避免使用三角形單元。對于承受水壓力和貨物壓力的各類板上的扶強材以及縱桁、強橫梁等主要構件上的面板和加強筋用二節點梁單元模擬，T型材腹板采用桿單元模擬，有限元模型的網格盡量遵從骨材實際排列規律，本船中橫向按照縱骨劃分，縱向按肋板間距四等份劃分，典型橫剖面網格及三艙段粗網格模型如圖2。

圖2 有限元模型

3 模型邊界條件

三維有限元模型兩端用彈簧支撐反映其所受剪力，總體坐標系y自由度上有剛度的彈簧單元應沿甲板、內底板和外底板節點上施加，總體坐標系z自由度上有剛度的彈簧單元應沿舷側板、內殼板和油密縱艙壁的垂直部分處節點上施加，如圖3。在模型中， 彈簧用桿單元模擬，桿單元的等效橫剖面面積為（c·l）/E，其中l為桿單元的長，桿單元的一端所有6個自由度均約束。

圖3 模型端部的彈簧約束

4 ABS safeship軟件加載及生成邊界條件

模型建完后，即可導入ABS safeship 軟件的TSA模塊中進行加載及邊界條件：

（1）模型檢查。在TSA中，使用工具Global-FEA工具欄model check進行檢查，一般查看是否有重復節點、重復面單元或線單元、模型是否存在不合要求的單元、是否存在錯誤定義，沒有問題后即可進行下步操作。

（2）導入有限元模型。通過工具translate FE model，導人模型。

（3）輸入基本參數，如圖4。工具prepare loading inputs，輸入本船基本參數，為后續加載提供準備條件。

（4）自動加邊界條件，search tank boundaries。

（5）自動加載，生成load case。

Patran中也可以加載荷，但是由于CSR的頒布，使得工況更為復雜，手工形成工況非常繁瑣，而且也容易出錯，現在各船級社都開發出相應的軟件用于加載，本船就是使用ABS safeship 軟件的TSA模塊加載。完成加載后，可以很容易看到各工況下的壓力分布（圖5）、各橫剖面的壓力分布（圖6）、剪力彎矩曲線（圖7）等。

圖4 基本參數

圖5 艙室壓力分布云圖

圖6 橫剖面壓力分布

圖7 剪力彎矩曲線

（6）分析。TSA軟件計算分析調用的是nastran，在file-prefence中可以設置關聯，分析完成后，可以得到.OP2類型的結果文件，結果可以在TSA中直接看到，如圖8、圖9所示，也可以回到patran中查看，一般情況都是在patran中看結果，因為操作界面更為直觀。

圖8 某工況下全船應變圖

圖9 肋板應力分布

5 結果查看

油船的應力一般集中在艙段有限元模型中部艙的典型橫向強框架與底邊艙上折角連接處，如圖10、圖11、圖12。

圖10 應力集中處

圖11 典型橫艙壁應力云圖

圖12 水平桁應力云圖

三維有限元艙段分析結果表明， 應力集中部位的應力往往超過220 N/mm2， 因此在這些部位設計時可采取以下措施：強橫梁和水平撐材端部肘板的趾端應加厚， 趾端處應設置軟趾；強橫梁、水平撐材與縱艙壁垂直桁材連接處應以圓弧連接， 向平直部分過渡應以切線過渡， 避免產生折角；在雙層底處， 縱艙壁垂直桁的背面應設置支撐肘板。

TSA也提供了篩選需要細化區域的功能，這些部位即為規范要求需要做細網格的區域，這次計算只做到了粗網格，詳細應力分析和疲勞應力分析需要根據粗網格的篩選結果繼續往下分析。

6 結束語

按照船舶設計的發展趨勢，對結構的要求越來越嚴，使得有限元計算已經不是構件計算的參考，而是確定構件尺寸不可缺少的部分，而且執行CSR規范使得船舶設計工作量增加，設計周期延長。直接計算工況多達幾十種，必須要依靠船級社的有限元軟件才能完成，還增加了細化、疲勞的工作，使設計工作量進一步加大，所以要提高設計水平，掌握有限元分析以及相應的軟件是非常有必要的。