散貨船船體貨艙段強度的有限元計算分析

袁培銀,趙　宇,雷　林,孫　鵬,張　丹

(1.重慶交通大學　a.航運與船舶工程學院; b.建筑與城市規劃學院,重慶　400074;

2.中遠船務工程集團有限公司,江蘇 南通　226000)

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散貨船船體貨艙段強度的有限元計算分析

袁培銀1a,趙宇1b,雷林1a,孫鵬1a,張丹2

(1.重慶交通大學a.航運與船舶工程學院; b.建筑與城市規劃學院,重慶400074;

2.中遠船務工程集團有限公司,江蘇 南通226000)

摘要：為保證船體結構在運營過程中不發生過大的形變，產生不必要的經濟損失，通過Patran有限元軟件對船舶貨艙段的強度進行計算分析，建立了船舶貨艙段有限元模型；通過選擇合理的約束形式，確定計算工況，施加相應荷載，獲得有關船舶貨艙段強度的相關數據，尋找船舶貨艙段局部強度的特點，通過計算結果指導船體的結構設計和優化。

關鍵詞：散貨船艙段；船體結構；有限元分析

伴隨著海上貿易的日益擴展，船舶運輸在經濟發展中的作用逐漸引起重視。貨船運輸成本低、效率高、安全可靠。船體貨艙段的大小是決定貨運量的重要依據。因此，局部艙段加強型船舶的需求量不斷增大。海上運輸船需按照《鋼質內河船舶建造規范》(2009)[1-5]，對船舶艙段的主要結構進行有限元分析。有限元分析是大型船舶結構設計及優化的重要手段，通過分析可以在滿足船舶強度要求下盡可能減小板厚和結構尺寸，降低空船質量，從而減少船舶的建造成本，增加載質量。同時，在分析結果中也可以查看艙段的高應力區，不僅為艙段的安全性評估提供依據，也為船舶的優化設計提供一定的參考[6-10]。

1 船體有限元模型

1.1結構模型

船體為左右對稱結構，模型范圍為：縱向從#24肋位至#159肋位；橫向為整個船寬；垂向為整個型深。模型甲板、舷側板、舭列板、船底板、內底板、橫艙壁板、縱艙壁板、肋板、縱桁以及各強構件腹板均采用二維3、4節點殼單元模擬，其他縱骨、加強筋以及強構件面板等用2節點梁單元模擬。本模型總節點數為105 067，單元數為158 390。模型材料：彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85 t/m3，屈服強度為235 N/mm2。

1.2坐標系

坐標系的原點取在#24肋位處船體中心線與基線相交處。X軸指向船首為正；Y軸由原點指向左舷為正；Z軸垂直向上為正。整體有限元模型見圖1。

圖1　整體有限元模型

1.3邊界條件

根據《鋼質內河船舶建造規范》，船體中部艙段有限元模型的邊界條件如下：在兩端面中和軸與中縱剖面交點處各建立一個獨立點N1，N2，端面上的各節點與獨立點進行剛性關聯。在獨立點N1，N2上分別施加線位移約束：即u1x=u1y=u1z=0，在另一端面所有節點上施加橫向、垂向線位移約束，即u2y=u2z=0，如圖2所示。

圖2　邊界條件

1.4計算工況及荷載

1.4.1計算工況

根據《鋼制內河船舶建造規范》及穩性計算書，計算工況及載荷見表1。

表1　計算工況

1.4.2荷載

1) 舷外水壓力

模型的范圍是#24～#153肋位，所以在#24肋位處，吃水為7.476m；在#153號肋位處，吃水為6.470m。整個舷外水壓力在船長方向呈梯形分布，在型深方向呈三角形分布。舷外水壓力為

P1=ρgz1-ρgz=

9 810×(7.476-0.013x-z) N/m2

式中：ρ為舷外水密度，1.0×103kg/m3；g為重力加速度，9.81m/s2；x，z分別與模型坐標系對應。

2) 端面彎矩

此工況下船舶呈中拱狀態，端面彎矩見表2。

表2　工況LC1端面彎矩

3) 艙內貨物壓力

貨物密度為2.86t/m3；內底板上有：

P=ρgh=2.86×9.81×3.663=102.77 kN/m2

其中h為貨物頂端距內底板的高度，h=3.663m。

2計算結果

2.1船體各構件許用應力

許用應力衡準是根據《鋼質內河船舶建造規范》(2009) 中選取，普通鋼結構許用應力如表3所示。

表3　屈服最大許用應力

表3中：σe為板單元表面相當應力；σl為板單元中面沿船長方向應力；σz為梁單元節點合成應力，+σz表示組合拉應力，-σz表示組合壓應力；τ為板單元剪應力。

2.2船體部分結構應力云圖

應力云圖見圖3～10。

圖3　舷側板板單元沿船長方向應力σl(LC1)

圖4　舷側內殼板板單元沿船長方向應力σl(LC1)

圖5　船底板沿船長方向應力σl(LC1)

圖6　內底板沿船長方向應力σl(LC1)

圖7　船底縱桁相當應力σe(LC1)

圖8　實肋板相當應力σe(LC1)

圖9　強框架相當應力σe(LC1)

圖10　橫艙壁相當應力σe(LC1)

2.3計算結果統計及最大應力出現部位

從有限元分析應力結果(表4)可知：甲板邊板、舷側板、船底板所受的最大應力值均小于許用應力值192 MPa；甲板縱桁與船底縱桁的最大應力值均小于其許用應力值181 MPa；實肋板與強框架的最大應力值均小于許用應力值165 MPa；甲板、船底板所受的最大應力值均小于其許用應力值190 MPa；橫向板與縱向板的最大剪應力均小于其許用應力值，應力評估構件的結構強度均滿足規范的要求。然而，整個艙段的應力最大部位在實肋板和舷側內殼板上，在船體結構設計和建造的過程中，有必要對結構進行改進或使用高強度鋼。

表4　有限元分析應力結果

由各主要構件最大應力區域匯總(表5)可知：各主要構件的最大應力區域，舷側板在FR110～FR114之間，與甲板邊板相交處應力值最大，船底縱桁在FR90附近，距舯1 800 mm底縱桁與內底板交界處應力值最大。在甲板與橫艙壁相交處，即FR90橫艙壁、距舯6 450 mm、距基線1 500 mm處，上層建筑前段與艙段結構連接處的甲板區域應力集中，是船體的高應力部位，在船體結構設計中應予以注意。

表5　各主要構件最大σe/σz應力區域匯總

3結論

貨船是一種應用范圍較廣的船型，有著特殊的作業工況和作業特點，對其結構強度有特殊的要求。本文根據實際工程需要，對貨船主船體部分艙段的強度進行計算校核，計算中考慮特定工況與不同載荷的組合。計算結果表明：

1) 船體局部艙段各部位應力值均小于許用應力值，船體艙段的強度滿足規范的要求。

2) 局部艙段的應力最大區域在FR121實肋板距舯5 400～7 500 mm，與內底板交界處附近。設計時要重點考慮應力集中部位，有必要對結構進行改進。

3) 對于甲板邊板、舷側內殼板，由于參與總縱強度的原因，應力水平比較高，應適當采用高強度鋼，能夠在滿足高應力強度的前提下減小構件的尺寸。

4) 船底板、內底板、橫艙壁板，在特定工況與不同載荷的組合下應力值滿足強度要求，不需要增加其板厚。

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[10]樓偉峰,蔣彩霞,胡嘉俊,等.大型水面艦船結構設計載荷研究[J].艦船科學技術,2014,36(9):41-45.

(責任編輯陳艷)

Strength Analysis of Bulk Carrier Part-Cabin Based on Finite Element Method

YUAN Pei-yin1a, ZHAO Yu1b, LEI Lin1a, SUN Peng1a, ZHANG Dan2

(1.a.Shipping and Marine Engineering College; b.College of Architecture and Urban Planning,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2.COSCO Shipyard Group Co., Ltd.,China Ocean Shipping Company, Nantong 226000, China)

Abstract:In order to avoid the excessive deformation of bulk carrier and unnecessary economic losses occur in the process of operation, this paper described many studying results of bulk carrier part-cabin through finite element method in Patran software, and set up the finite element model of part-cabin, and chose reasonable form of constraints, and made sure the working condition, and applied external load, and obtained the relevant strength data of part-cabin, looking for the local strength characteristics of part-cabin, which can guide the ship structure design and optimization for part-cabin by calculation results.

Key words:cabin of bulk cargo; ship structure; finite element analysis

文章編號：1674-8425(2016)02-0053-05

中圖分類號：U661

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.02.010

作者簡介：袁培銀(1987—)，男，黑龍江依安人，碩士研究生，主要從事船舶與海洋工程研究。

基金項目：重慶市社會民生科技創新專項(cstc2015shmszx30011)

收稿日期：2015-10-28

引用格式：袁培銀,趙宇,雷林，等.散貨船船體貨艙段強度的有限元計算分析[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，2016(2):53-57.

Citation format：YUAN Pei-yin, ZHAO Yu, LEI Lin, et al.Strength Analysis of Bulk Carrier Part-Cabin Based on Finite Element Method[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(2):53-57.