118 m甲板運輸船橫向強度分析

陳艷春，沈 平

(1.泰州市地方海事局，江蘇 泰州 225300；2.姜堰市地方海事處，江蘇 姜堰 225500)

118 m甲板運輸船橫向強度分析

陳艷春1，沈 平2

(1.泰州市地方海事局，江蘇 泰州 225300；2.姜堰市地方海事處，江蘇 姜堰 225500)

以118 m箱型甲板運輸船為研究對象，參照CCS(中國船級社)規范對該船貨艙段的構件進行橫向強度評估。經過建模、加載、計算，得到該甲板貨船貨艙段主要構件強度均滿足規范要求，校核過程對同類型船的橫向強度校核具有一定的借鑒意義。

甲板運輸船；橫向強度；有限元分析

0 引言

甲板運輸船由于其具有建造工藝簡單，便于裝卸施工，投資造價和營運成本低、收益率高等優點而深受地方中小型船廠和船東們的青睞。在該類船舶的結構設計過程中往往采用規范允許的最低強度要求，以達到降低成本的目的。因此，船舶在營運過程中存在結構破壞的事故隱患，分析此類船舶的結構強度顯得尤為重要[1]。

長期以來，關于船舶橫向強度的研究較少，很大程度上是因為存在這樣一種觀點：橫向強度的破壞只會造成某些小的損傷，不會危及到船舶的整體安全[2]。但是在實際航運中，由于船體局部損傷最終導致整個船體毀壞的事例越來越多。因此，為了保證其船體結構在正常使用過程和一定的使用年限中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校核[3]。

對于B(型寬)/D(型深)≥3的箱型駁船，參照CCS《鋼質海船入級規范》(2012)附錄“箱型駁船橫向強度校核方法” 第2篇第9章第7節相關要求取用強度標準，按照設計圖紙，使用MSC.PATRAN有限元軟件對該船貨艙段主要構件建立有限元模型，并用計算軟件對其進行橫向強度分析和探討。

1 實船概要

本船為鋼質單舷、單底結構。全船共有170個肋位，肋距為600 mm；3道縱艙壁，間距為5.5 m。甲板、船底、舷側和縱艙壁上縱向連續構件有縱骨與縱桁，橫向強框架由強橫梁、強肋骨、實肋板組成。船體內部設有大量柱子和撐桿做支撐。118 m甲板運輸船總布置圖、橫剖面圖、基本結構圖分別如圖1～圖3所示。

圖1 118 m甲板運輸船總布置圖

本船總長118.0 m，水線長101.25 m，設計吃水4.80 m，型寬23.0 m，型深6.60 m，肋距0.60 m，航區近海。

本船選用材料為碳素鋼：彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85 t/m3。

2 有限元模型

2.1 結構模型

參照《鋼質海船入級規范》(2012)第2篇第9章第7節第4條規定，采用三維有限元模型，模型范圍選取的原則通常為：以甲板的主要構件及其支持結構的主要構件作為主要的分析對象，模型范圍至少應包括：垂向為基線與艙壁甲板之間的中點處至艙壁甲板以上的各層甲板及其支持結構，橫向取整個船寬，縱向在船中處至少取5檔強框架長度或1個設計車長，取大者。

圖2 118 m甲板運輸船橫剖面圖

圖3 118 m甲板運輸船基本結構圖

本文中的建模范圍為Fr 81至Fr 105，橫向取整個船寬，垂向取整個型深。模型采用板單元和梁單元建立，甲板、船體外板、縱橫艙壁、甲板縱桁、船底龍骨、強橫梁、強肋骨、實肋板等采用板單元模擬，甲板縱骨、舷側縱骨、縱橫艙壁加強材等均采用梁單元模擬。

坐標系統采用右手直角坐標系，原點位于Fr 81船體中心線處，X軸向船首為正方向，Y軸向左舷為正方向，Z軸向上為正方向。

艙段有限元模型共使用了34 438個單元，節點數共計23 486個。結構艙段有限元模型如圖4、圖5所示。

圖4 結構艙段有限元模型

2.2 邊界條件

為盡量減少約束邊界條件對橫向強度計算結果的影響，邊界條件宜施加在艙壁甲板以下足夠遠的距離處。對于模型的前后端，垂直于端面方向的線位移為0，即υx=0；繞端面內兩坐標軸的角位移為0，即ωy=ωz=0。邊界條件示意圖如圖6所示。

圖5 結構艙段有限元模型(隱去甲板)

圖6 邊界條件示意圖

2.3 計算工況及載荷

根據《鋼質海船入級規范》(2012)附錄“箱型駁船橫向強度校核方法” 及設計任務要求，計算載荷僅考慮甲板載荷及舷外水壓力的作用。

考慮4種工況，詳見表1。

表1 計算工況

2.3.1 甲板載荷

按設計任務要求，本船標準設計負荷相關技術參數如下：

①5 t鏟車，整車重量17.5 t；

②雷諾 Kerax重卡288 kW自卸車(標準版)，最大總質量為47 t。

按《國內航行海船建造規范》(2012)第9.7.2.2條的規定,車輛甲板結構強度直接計算時，假定船舶橫傾至最大橫搖角，甲板設計載荷按下列各式計算：

PV=(gcosΦm+0.5aV)M

PT=(gsinΦm+0.5aT)M

式中：PV為車輛甲板垂向載荷,kN;PT為車輛甲板橫向載荷，kN；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；Φm為最大橫搖角，Φm≥0.35 rad；aV為垂向合成加速度，m/s2；aT為橫向合成加速度，m/s2；M為計入的車輛重量，t。

2.3.2 舷外水壓力

船舶在運營過程中，船體要承受來自各個方向波浪的作用，船體的縱向結構在規范計算中已計入波浪載荷對其作用，而波浪對船體橫向結構的作用則需要深入研究，在本文中忽略端面彎矩對結構的影響。

舷外水壓力由靜水壓力和波浪水動壓力兩部分組成：

基線處：PB=10d±1.5C

水線處：PW=±3C

舷側頂端：PS=3PO

式中：PO=C-0.67(D-d)，kPa；C為系數;d為船舶吃水，m。

為考慮橫向波浪作用沿船長局部范圍內產生的效果，在計算工況中采用施加于兩舷的不對稱舷外水壓力來模擬。其中一舷側受到靜水壓力和波浪動壓力的疊加作用，另一舷側受到靜水壓力和反向動波浪壓力的疊加作用，但計算值小于0時取0計入。載荷作用分布情況如圖7所示。

圖7 艙段波浪載荷分布

3 許用應力

根據《鋼質海船入級規范》(2012)第2篇第9章第7節第5條規定中許用應力要求，板梁組合模型的許用應力為：

許用剪切應力[τ]=94 MPa

許用相當應力

式中：σx為平面應力狀態下結構任一點X坐標方向的正應力，MPa；σy為平面應力狀態下結構任一點Y坐標方向的正應力，MPa；τxy為平面應力狀態下結構任一點X坐標方向的剪切應力，MPa。

4 結果分析

4.1 結構應力結果

有限元的結構評估取值范圍應基于模型當中的一個橫向框架。本文選取Fr 90為評估橫向框架，4種工況下最大相當應力為70.8 MPa，最大剪切應力為36.5 MPa，滿足規范許用應力要求。艙段整體應力及變形云圖如圖8、圖9所示，橫向結構最大應力云圖如圖10、圖11所示。

圖8 艙段整體相當應力云圖(LC1)

圖9 艙段整體變形云圖(LC1)

圖10 橫向結構的相當應力云圖(LC1)

圖11 橫向結構的剪切應力云圖(LC1)

4.2 結構應力結果分析

①縱、橫艙壁板受端部約束及甲板、船體外板結構約束受力較大，中部受力較小；

②汽車裝載位置附近的甲板、甲板縱桁及橫向框架，變形及應力較大；

③應力在強結構上明顯集中，并向弱結構擴散，因此強結構是承受船體主應力的單元。

5 結語

由于目前愈來愈廣泛地應用甲板運輸船，該船的設計要求已經不能僅僅局限于船舶設計規范，對甲板運輸船進行強度分析校核變得非常重要。在本文的橫向強度分析中，船舶主要承受應力的構件有甲板、舷側、縱艙壁、船底縱桁和甲板縱桁，這些構件的相交處附近應力水平較高，在結構設計計算時應給予高度重視。

[1] 楊躍富,王靖,金義會，等.有限元法甲板運輸船全船結構強度分析[J].船海工程,2012,41(5):68-70,73.

[2] 洪志濤,肖桃云.甲板運輸船艏部艙段有限元強度分析[J].船海工程,2011,40(6):83-86,91.

[3] 謝永和,王偉.散貨船橫向強度有限元分析[J].船舶工程,2007,29(6):33-35.

[4] 中國船級社.鋼質海船入級規范(2012)[M].北京：北京人民交通出版社,2012.

2013-10-22

陳艷春(1984-)，男，助理工程師，從事船舶檢驗工作；沈平(1982-)，男，助理工程師，從事船舶檢驗工作。

U661.43

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