92.6 m江海直達(dá)貨船艙口蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

徐　潔，湯在義，范　強(qiáng)

(1.無(wú)錫市興隆船舶有限公司，江蘇 無(wú)錫 214216；2.揚(yáng)州市地方海事局，江蘇 揚(yáng)州 225009)

92.6 m江海直達(dá)貨船艙口蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

徐潔1，湯在義2，范強(qiáng)1

(1.無(wú)錫市興隆船舶有限公司，江蘇 無(wú)錫 214216；2.揚(yáng)州市地方海事局，江蘇 揚(yáng)州 225009)

摘要：由于艙口蓋在外部風(fēng)浪載荷以及壓載荷的情況下易引起艙口蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的破壞，影響船體整體性能，以92.6 m江海直達(dá)貨船艙口蓋作為研究對(duì)象，采用PATRAN/NASTRAN有限元軟件，建立相應(yīng)的有限元模型，考慮3種類型一樣但數(shù)值不同的載荷：艙口蓋上載荷按照第1、第2、第3塊艙口蓋依次壓力為36.12、33.70、30.31 kN，根據(jù)規(guī)范的要求施加相應(yīng)的邊界條件，并根據(jù)規(guī)范許用應(yīng)力的要求對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果表明本船的艙口蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范的要求。

關(guān)鍵詞：貨船；艙口蓋；載荷；有限元法

0引言

隨著國(guó)內(nèi)CAE技術(shù)的大幅度進(jìn)步，之前根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化增強(qiáng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用，使用有限元軟件對(duì)整船進(jìn)行強(qiáng)度校核已經(jīng)較為成熟。本文以92.6 m江海直達(dá)貨船艙口蓋作為討論目標(biāo)，采用大型有限元軟件MSC.PATRAN/NASTRAN進(jìn)行有限元計(jì)算以及分析，參照中國(guó)船級(jí)社CCS規(guī)范，研究3個(gè)數(shù)值不同的壓載荷結(jié)構(gòu)應(yīng)力形變情況。

1艙口蓋的介紹及其主尺度

1.1選取艙口蓋之間的對(duì)比

吊離式艙口蓋和折疊式艙口蓋為目前常用的2種艙口蓋，其結(jié)構(gòu)形式分別如圖1、圖2所示。

吊離式艙口蓋具有簡(jiǎn)單可靠，無(wú)需配置驅(qū)動(dòng)裝置等優(yōu)點(diǎn)，故造價(jià)便宜，維修保養(yǎng)方便。因蓋板塊數(shù)不受限制，適合于各種長(zhǎng)度的艙口，也適合于各層甲板艙口，因此較多應(yīng)用于全集裝箱船露天甲板、多用途船中間甲板及長(zhǎng)艙口的艙口蓋，也常常與單拉式或折疊式組合在一起，作為長(zhǎng)艙口的組合艙口蓋。該艙口蓋不適合于無(wú)起貨設(shè)備的散貨船。在全集裝箱船中，盡管無(wú)起貨設(shè)備，但可用碼頭上集裝箱專用吊架吊放蓋板，吊離一塊蓋板如同吊離一只集裝箱，十分方便。

折疊式艙口蓋強(qiáng)度好，不易損壞，適宜裝載各種甲板貨物；橫接縫無(wú)需設(shè)壓緊器，滾輪無(wú)需設(shè)頂升裝置，啟閉操作簡(jiǎn)單可靠；收藏長(zhǎng)度及高度適應(yīng)性大，既適用于露天甲板，也適用于中間甲板，故廣泛應(yīng)用于普通干貨船、多用途船、冷藏船、木材運(yùn)輸船及中小型散貨船。

綜上所述，考慮折疊式經(jīng)濟(jì)效益好，用途較廣，強(qiáng)度高以及適宜裝載各種貨物，而吊離式艙口蓋多用于集裝箱船，需要特定的起貨設(shè)備，故92.6 m江海直達(dá)貨船選擇折疊式艙口蓋。

圖1　吊離式艙口蓋

圖2　折疊式艙口蓋

1.2船舶主尺度及其相關(guān)參數(shù)

92.6 m江海直達(dá)貨船主要尺度：總長(zhǎng)92.6 m，垂線間長(zhǎng)88.56 m，型寬16.20 m，型深6.80 m，滿載吃水5.30。該船是按吃水5.30 m設(shè)計(jì)的全部使用焊接的鋼質(zhì)船舶。本船設(shè)計(jì)為雙底縱骨架式結(jié)構(gòu)，船舶整體結(jié)構(gòu)滿足中國(guó)船級(jí)社的要求。

該船使用艙口蓋共有2種尺寸，其中第1、第2塊艙口蓋寬為1.7 m，長(zhǎng)為12.06 m，第3塊艙口蓋寬為2.8 m，長(zhǎng)為12.06 m。

2有限元模型

2.1結(jié)構(gòu)模型

本文以92.6 m江海直達(dá)貨船艙口蓋作為研究對(duì)象，采用大型有限元軟件建模分析。

2.2邊界條件

根據(jù)實(shí)際可推出該艙口蓋模型縱方向以及橫方向限位器的特點(diǎn)，在縱向該方向的自由度為0，在橫向該方向的自由度為0，支撐塊垂向自由度為0。

2.3計(jì)算載荷

根據(jù)《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2015)，艙口蓋除要按照該篇規(guī)范第2章第20節(jié)的計(jì)算以外，位于從首垂線起至0.25L(船長(zhǎng))范圍內(nèi)的艙口蓋的最小尺寸，而且還應(yīng)滿足該規(guī)范第8章第8節(jié)的要求。

2.3.1計(jì)算載荷

2.3.1.1計(jì)算載荷說(shuō)明

按照上述規(guī)范第8章第8節(jié)可知，作用在艙口蓋蓋板上壓力P應(yīng)用下面公式計(jì)算：

2.3.1.2各載荷的計(jì)算

本船一共20塊艙口蓋，其中第1、第2塊上壓載荷分別為36.12、33.70 kN/m2，第3塊至第20塊艙口蓋上所受到的壓載荷為30.31 kN/m2。計(jì)算壓載荷時(shí)除了A不同外，其余參數(shù)均為定值，其中V=13 kn、L=92.6 m、Cb=0.74、df=3.92 m，第1塊艙口蓋A=1.43，第2塊艙口蓋A=1.22，第3塊艙口蓋A=1.00，最終根據(jù)以上數(shù)據(jù)求得3種壓載荷的數(shù)值。

2.3.2強(qiáng)度衡準(zhǔn)

本船貨艙蓋采用CCSA鋼。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范(2015)》第8章第8節(jié)“貨艙艙口蓋尺寸的確定”中8.8.3“強(qiáng)度衡準(zhǔn)”及《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范(2015)》第2篇第2章第20節(jié)表2.20.9.2中鋼制箱型艙口蓋撓度的規(guī)定：

艙口蓋上受到壓載荷，其支撐構(gòu)件許用正應(yīng)力[σ]=0.80ReH

許用撓度=0.002 2l0

式中：ReH為材料的屈服應(yīng)力，ReH=235 MPa；l0為艙口蓋扶強(qiáng)材的跨距，本船l0=12.06 m。

本船艙口蓋強(qiáng)構(gòu)件(端橫梁/縱桁)均為AH36，ReH=355 MPa，其他板材及角鋼等為CCSA。通過(guò)上述公式帶入各材料的屈服應(yīng)力，計(jì)算出甲板許用正應(yīng)力為188 MPa，梁系許用正應(yīng)力為284 MPa，鋼質(zhì)艙口蓋最大位移許用值為0.026 5 m。

3結(jié)果分析

艙口蓋的最大應(yīng)力數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，板上最大變形數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)艙口蓋上整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖以及整體變形云圖發(fā)現(xiàn)，本船艙口蓋的最大應(yīng)力和最大變形出現(xiàn)在第3塊上，其應(yīng)力云圖以及整體變形云圖如圖3～圖4所示。

表1　艙口蓋結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力匯總

表2　板架最大變形匯總

圖3　第3塊艙口蓋應(yīng)力云圖

圖4　第3塊艙口蓋變形云圖

4結(jié)論

(1)92.6 m江海直達(dá)貨船的艙口蓋在上述3種工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低于許用值，艙口蓋設(shè)計(jì)符合規(guī)范的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，本船艙口蓋的最大應(yīng)力和最大變形出現(xiàn)在工況3，此時(shí)艙口蓋上的壓力為30.31 kN/m2。

(3)進(jìn)行分析可以得出完善的模型、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格劃分。通過(guò)對(duì)本船艙口蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果研究發(fā)現(xiàn)，合理的約束條件是得出有限元計(jì)算正確結(jié)果的必要條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫燕.艙口蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及軟件開(kāi)發(fā)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2010.

[2]張少雄,李雪良,陳有芳.船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算中板單元應(yīng)力的取法[J].船舶工程,2004,26(3):21-23.

[3]于雁云，林焰，紀(jì)卓尚，陸叢紅，等.基于參數(shù)化表達(dá)的船舶結(jié)構(gòu)有限元分析方法[J].船舶力學(xué)，2008(1)：74-79.

[4]施麗娟,崔維成.船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析的質(zhì)量控制研究綜述[J].船舶,2002(5):31-39.

[5]羅金炎,陳慶強(qiáng).船舶面向?qū)ο笥邢拊膽?yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2004(1):18-22.

[6]黃國(guó)寧,陳海,霍應(yīng)元.MSC Nastran優(yōu)化功能在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2006(B09):50-52.

[7]張匯平,唐永生,余小川.28 000 DWT多用途船二層甲板及其艙口蓋強(qiáng)度分析[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2006(B09):78-80.

收稿日期：2015-11-10

作者簡(jiǎn)介：徐潔(1988—),女,助理工程師,從事船舶質(zhì)量檢驗(yàn)工作；湯在義(1972—)，男，助理工程師，從事船檢工作；范強(qiáng)(1989—)，男，從事船體結(jié)構(gòu)工作。

中圖分類號(hào)：U661.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A