集散兩用貨船艉部甲板局部強度有限元分析

2016-05-06 02:26:09湯在義

江蘇船舶 2016年1期

湯在義，杜　斌

(揚州市地方海事局,江蘇揚州 225009)

集散兩用貨船艉部甲板局部強度有限元分析

湯在義，杜斌

(揚州市地方海事局,江蘇揚州 225009)

摘要：集裝箱船艉部艙段強度校核是船體結構強度校核中的重要組成部分，船舶發動機等重要裝置都分布在艉艙段內。在航行過程中集裝箱會垂向震蕩，極端情況下會影響艉部結構強度能力并使其結構失效，進而對船舶造成毀滅性破壞。運用有限元軟件Patran對78.2 m集散兩用貨船艉部艙段部分進行建模研究，考慮2種集裝箱裝載工況：裝載重箱以及裝載空箱，根據規范要求施加了相關邊界條件，并根據規范許用應力要求對計算結果進行了分析，最終計算出來的結果表明本船艉部艙段結構有限元強度能夠滿足中國船級社的規范要求。

關鍵詞：集裝箱船；貨船；艉部；結構強度；有限元分析

0引言

隨著世界經濟全球化的不斷發展，國家之間的貿易往來也越來越頻繁，集裝箱船因其低廉的運輸價格、高效的運輸方式以及安全可靠性成為目前運輸業的首選運輸工具。近年來集裝箱船快速發展并趨于成熟，為了滿足新時代的新要求，現在集裝箱船正朝著集約化、大型化、信息化的趨勢發展，對于集裝箱船的設計來說，這是一次新的挑戰。

由于集散兩用貨船一般采用大量的高強度鋼并且航速較快，在船體艙口處容易產生較大的變形，因此，需要重點考慮船體的總縱強度以及疲勞問題。在設計之初必須對船舶結構強度進行校核，使船舶設計滿足規范要求。集裝箱船艉部作為船舶最重要的部分，因船舶動力裝置及其他眾多重要設施都匯聚于此，因此必須充分保證其結構的強度及安全性。在有限元軟件應用之前，船舶設計人員憑借自身經驗對結構進行加強。現在，隨著大型有限元分析軟件逐漸趨于成熟與完善，使得結構優化更趨于科學化。本文運用有限元軟件Patran對78.2 m集散兩用貨船艉部艙段部分進行建模研究，參照規范要求研究了2種工況下結構的應力應變情況。

1主要尺度及其他參數

78 m集散兩用貨船主要尺度：總長78.20 m，垂線間長75.20 m，型寬15.80 m，型深5.80 m，設計吃水4.90 m，裝箱量272 TEU。

本船是按吃水4.90 m設計的鋼質全焊接結構船舶并且船體結構符合中國船級社的要求。船體結構：艏部、艉部舷側部分、機艙舷側均采用橫骨架式結構，貨艙舷側、貨艙雙層底區域、機艙甲板均采用縱骨架式結構；全船肋距為600 mm，中內龍骨及甲板縱桁間距為1 575 mm或1 600 mm，縱骨間距為525 mm，抗扭箱縱骨間距為550、500 mm。結構布置：本船的貨艙區域采用雙層底結構布置，其高度900 mm，雙舷側、雙甲板、邊甲板的寬度均為1 600 mm，艏、艉2部分均為單層底、單舷側，機艙為單層底雙舷側，貨艙布置間距為1 800 mm的強肋骨，艏艉及機艙舷側為強弱交替結構形式，貨艙區域舷側采用主肋骨結構形式。

如圖1為集裝箱裝載模式三維動畫模型圖。

圖1　集裝箱裝載三維動畫模型圖

2有限元模型

2.1結構模型

有限元模型的范圍：縱向的范圍從艉封板到Fr23肋位，寬度方向上的模型范圍為整個型寬，高度方向上的模型范圍是從距基線1 900 mm處到甲板板。其中，甲板、艙壁以及集裝箱底腳墊角等平板板材結構采用2維shell單元模擬單元模擬，甲板上的縱桁及橫梁等使用2維shell單元來模擬，面板用1維bar單元模擬；其他小的支柱及骨材等用1維bar單元模擬。有限元模型的材料參數：本船艉部艙段結構采用普通235鋼，其彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比v=0.3。坐標系為直角坐標系，船艉指向船首方向為X正方向，Y正方向從左舷指向右舷，垂直向上為Z的正方向。模型長度以及力學單位為m和N。艉部艙段模型見圖2、圖3。

圖2　艉部模型

圖3　艉部模型(仰視)

2.2邊界條件

邊界條件：在艉部艙段的四周限制其移動，在艉部艙段的底部限制其移動與轉動。其邊界條件如圖4所示。

圖4　艉部模型邊界條件

2.3計算工況及載荷

2.3.1計算工況

根據集裝箱裝載布置圖的說明及實際裝載狀態，本船需考慮表1中的2種工況。表中，空箱重量2.5 t，重箱重量14 t。

表1　計算工況

2.3.2計算載荷

根據集裝箱裝載布置的要求，應計算艉部艙段集裝箱箱角處的集中應力，但在實際裝載過程中集裝箱的力不是均勻分布在整個集裝箱底部，而是均勻分布于集裝箱4個角與艉部甲板接觸的箱腳上。根據中國船級社《鋼質內河船舶建造規范修改通報》(2015)第14章“結構強度直接計算補充規定”中第7節“局部結構強度計算”的規定，可以計算出2種工況下集裝箱箱角處的集中應力。

F1=1 000g(W1+W2)/4

F2=4×1 000gW1/4

式中：F1為工況1集裝箱箱角處集中應力，MPa；F2為工況2集裝箱箱角處集中應力，MPa；g為重力加速度，m/s2；W1為重箱重量，t；W2為空箱重量，t。

2.3.3載荷加載方式

將各工況下的集裝箱載荷加到對應的集裝箱底腳墊角處，施加載荷后的模型如圖5～圖6所示。