某海洋試驗船橫向強度評估

陳亮亮+羅慧明+陶榮斌+龔小超

（廣州船舶及海洋工程設計研究院，廣州 510250）

摘 要：對于扁平狀船舶來說，橫向強度是一個非常重要的強度問題。本文參考中國船級社《國內航行海船建造規范》（2012）關于駁船橫向強度的計算方法，利用大型商用有限元分析軟件MSC.PATRAN/NASTRAN對船體結構進行應力分析計算，校核某海洋試驗船的橫向強度，驗證了該船采用的橫向框架結構的安全性。

關鍵詞：橫向總強度；海洋試驗船；直接計算

中圖分類號：U661.4 文獻標識碼：A

1 前言

船體強度研究的主要任務是研究船體結構抵抗破壞和變形的規律。把船體作為一個整體來研究其強度問題稱為船體總強度，包括縱向總強度、橫向總強度和扭轉總強度等。我院設計的某海洋綜合試驗船，橫剖面呈扁平狀，其橫向強度問題對該型船的設計和運營具有重要的影響。

因該船的B/D > 3，故參考《國內航行海船建造規范》（2012） 中關于駁船橫向強度的校核方法，采用商用有限元分析軟件MSC.PATRAN/NASTRAN建立結構有限元模型，對該船橫向強度進行應力響應計算，并按照規范的強度衡準對該船的橫向強度進行校核。

2 船舶概述與有限元模型

本船的主要參數如下：

計算船長 83.86 m

型寬 18 m

型深 5.5 m

結構吃水 4.0 m

有限元坐標系統取右手坐標系：X方向為船體的縱向，以船首為正；Y方向為船體的橫向，以船中縱線向左舷為正；Z方向為船體的垂向，以基線向上為正；坐標原點在中縱剖面、基線和0號肋位的交點處。

模型縱向范圍（X方向），取船中FR56～FR77；橫向范圍（Y方向），取整個船寬；垂向范圍（Z方向），取基線到主甲板。

有限元模型的單元類型：主甲板、縱桁腹板、強橫梁腹板、艙壁板等結構，用殼單元模擬；艙壁扶強材、甲板橫梁、縱桁面板、強橫梁面板等結構，用梁單元模擬。

該模型總共有25145個單元，其中5605個梁單元、18339個節點。模型中的網格尺寸為：縱向、橫向和垂向，按300 mm左右為一個單元劃分。

有限元模型的材料參數：整個結構采用船用A級鋼，其彈性模量E=2.06 x 105 Mpa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3。有限元模型單位：長度為mm，力為N，壓強為MPa。

圖1為有限元模型情況，為了表達清晰，圖中隱去了主甲板。

根據中國船級社《國內航行海船建造規范》（2012）的要求，模型前后兩端橫艙壁所有節點均約束3個線位移。

3 計算載荷與工況

3.1 計算載荷

橫向強度的計算工況，僅考慮甲板最大許用載荷和舷外水壓力的作用，不考慮船體梁彎矩（包括垂向和水平）的作用。

甲板最大許用載荷計算中，ho值按照《GCY948-021-02JS-結構規范計算書》中取為1.37 m，其對應的設計載荷p按下式計算：

（1）

舷外水壓力載荷由靜水壓力和波浪水壓力兩部分組成：

在基線處 （2）

在水線處 （3）

在舷側頂端處 （4）

式中：

d為吃水，m；

D為型深，m。

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：假定一舷側受到靜水壓力和波浪壓力的疊加作用；另一舷側受到靜水壓力和反向波浪壓力的作用。

載荷作用分布情況，見圖2。

3.2 計算工況

海洋試驗船在實際運營過程中，其遭受的載荷與海況是多種多樣的，規范中給出了兩種最危險的計算工況：

（1）對稱工況： 甲板最大許用載荷+舷外靜水壓力+由外向內的兩舷對稱受壓的波浪動壓力；載荷分布，如圖3所示。

（2）非對稱工況： 甲板最大許用載荷+舷外靜水壓力+一舷由外向內、另一舷由內向外作用的反對稱受壓的波浪動壓力；載荷分布，如圖4所示。

4 計算結果與分析

4.1 應力水平匯總

應力水平匯總表，見表2～3。

表中：σe—板單元的相當應力，Mpa；τ—基于腹板總高度的平均應力，Mpa；σrod—桿單元的軸向應力或梁單元的正應力，Mpa。

4.2 計算結果云圖

計算結果云圖如圖5～12所示。

5 結 論

本文根據CCS《國內航行海船建造規范》（2012）對新設計的某海洋試驗船的橫向強度，采用直接計算法進行了強度評估。計算結果表明：在以上兩種工況條件下，計算模型中任一單元最大應力均不超過規范所規定的強度衡準，因此該船結構滿足規范對橫向強度的要求。

本文給出的海洋試驗船橫向強度評估直接計算方法和完善的分析流程，可以為今后類似船舶的橫向強度評估提供一個參考依據。

參考文獻：

[1]楊代盛.船體強度與結構設計[M].上海交通大學，1981.

[2]中國船級社.國內航行海船建造規范[S].人民交通出版社，2012.

[3]劉兵山，黃聰.PATRAN從入門到精通[M].中國水利水電出版社，2003.