1 750TEU 集裝箱船全船彎扭強(qiáng)度分析

顏 萍，石科良

（1.廣東中遠(yuǎn)海事重工有限公司，東莞 523146；2.廣州船舶及海洋工程設(shè)計研究院，廣州 510250）

1 前言

集裝箱船具有大開口的特征，艙口寬度達(dá)到甚至超過船寬的85%，艙口長度可以達(dá)到艙壁間距的90%，使全船的扭轉(zhuǎn)剛度遠(yuǎn)低于常規(guī)船舶。由于1 750 TEU集裝箱船長大開口的特性，結(jié)構(gòu)設(shè)計必須充分考慮在各種集裝箱載荷條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形，包括靜水彎矩和波浪引起的垂直彎矩﹑水平彎矩﹑扭矩以及貨物扭矩等。在波浪和貨物載荷的聯(lián)合作用下，船體的垂直彎矩﹑水平彎矩和扭矩的疊加，使船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形問題非常突出。因此有必要進(jìn)行全船結(jié)構(gòu)的有限元分析，準(zhǔn)確計算船舶的波浪載荷﹑分析全船的彎扭強(qiáng)度﹑驗證其是否滿足強(qiáng)度衡準(zhǔn)的要求。

利用SESAM軟件的子模塊Genie建立全船模型，包括有限元模型﹑水動力計算模型和質(zhì)量模型等；利用SESAM軟件的波浪載荷分析和響應(yīng)計算的子模塊WADAM，計算全船在一系列規(guī)則波作用下的水動力載荷，包括波動壓力在濕表面上的分析及運動加速度等，形成載荷傳遞函數(shù)；采用SESAM的后處理器POSTRESP模塊，對計算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計處理和預(yù)報得到設(shè)計波；采用線性靜力和動力結(jié)構(gòu)分析子模塊SESTRA，對全船結(jié)構(gòu)在每一設(shè)計波上的響應(yīng)進(jìn)行計算求解，圖形處理器XTRACT將結(jié)果以圖形的方式顯示出來，并對結(jié)果進(jìn)行分析。

2 全船有限元模型

該船由廣東中遠(yuǎn)海事重工有限公司為國外船東建造。其主尺度為：

總長 172.00 m﹑垂線間長 164.00 m﹑型寬 28.40 m﹑型深 14.20 m﹑結(jié)構(gòu)吃水 9.50 m﹑滿載排水量 23 200 t。

2.1 全船結(jié)構(gòu)有限元模型

建立全船結(jié)構(gòu)有限元模型是最基礎(chǔ)的工作，它能準(zhǔn)確的反映船體主要結(jié)構(gòu)的剛度特點。結(jié)構(gòu)有限元模型由大量的節(jié)點以及相同量級的單元組成，在這些節(jié)點和單元上施加重力﹑浮力﹑波浪力以及慣性力等。

全船的三維有限元模型包括：整個船長﹑船寬范圍的船體結(jié)構(gòu)，如艙口圍板﹑甲板﹑舷側(cè)以及縱艙壁和雙層底在內(nèi)的所有縱向受力構(gòu)件；模型中還包括橫艙壁﹑肋骨框架以及橫向甲板條在內(nèi)的所有橫向受力構(gòu)件；對于局部的支撐構(gòu)件，如肘板﹑桁材﹑肘板上的小開口等忽略不計。

船體構(gòu)件用以下兩種單元類型進(jìn)行模擬：（1.）板單元（四節(jié)點或三節(jié)點）。用于模擬甲板﹑舷側(cè)外板﹑內(nèi)底板﹑船底﹑舷側(cè)縱桁﹑縱壁板﹑肋板以及大型T梁等；（2）梁單元。主要用來模擬骨材﹑支柱等。本船的有限元模型共有89 224節(jié)點﹑192 176個單元（見圖1）。

圖1 全船有限元模型

2.2 水動力計算模型

SESAM的子模塊HydroD中的波浪分析模塊WADAM，對波浪載荷的計算是以三維源匯理論為基礎(chǔ)。首先將Genie中的外殼幾何單元模型定義為濕表面，然后將其導(dǎo)入到SESAM中，在HydroD中將其確認(rèn)為面元單元；對于跨越水線面的船體外殼有限元網(wǎng)格，WADAM模塊將其劃分為水線面以上以及水線面以下兩部分,水線面以上的部分認(rèn)為不受波浪水動壓力，水線面以下每一個面元所承受的波動壓力自動映射到有限元網(wǎng)格上。根據(jù)規(guī)范的要求，本文僅選取距尾垂線1/4處﹑1/2處﹑3/4處的三個截面考慮波浪載荷。圖2顯示為三個主要波浪載荷截面的水動力模型（包括結(jié)構(gòu)模型）。

圖2 船舶在波浪中運動響應(yīng)計算模型

2.3 船體質(zhì)量模型

船體的質(zhì)量模型必須能夠真實反映實船的重量分布特征，保持其重量沿船長和高度的分布﹑重量總值以及重心與實船基本一致。

船體重量模型由以下三部分組成：

（1）結(jié)構(gòu)重量：主要采用調(diào)整各個子結(jié)構(gòu)的密度的方法生成結(jié)構(gòu)重量模型；

（2）艙內(nèi)的壓載水﹑燃油﹑淡水等液態(tài)重量：主要通過建立艙室模型，在HydroD中按照裝載工況的配載進(jìn)行重量模擬；

（3）集裝箱重量以及各種設(shè)備的重量：通過Genie中的Point Mass或Equipment的方法,利用虛梁結(jié)構(gòu)將重量離散到各個節(jié)點上。

根據(jù)CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2015》的要求，整船質(zhì)量模型應(yīng)與船舶的靜水浮態(tài)相匹配：總重力與總浮力的誤差不大于0.000 1△，其中△為相應(yīng)吃水時的排水量；質(zhì)心與浮心的縱坐標(biāo)誤差不大于0.002 5 L，其中L為船長；橫坐標(biāo)誤差不大于0.001 B，其中B為船寬。因此我們完成質(zhì)量模型后，必須對模型進(jìn)行檢查，如果不滿足上述要求，需要返回Genie模塊對質(zhì)量模型重新調(diào)整，使其滿足規(guī)范規(guī)定的誤差范圍。這一步可以在HydroD中的Stability Analysis中進(jìn)行檢查。

3 波浪載荷的長期預(yù)報

波浪引起的載荷是隨機(jī)變量，需要根據(jù)海洋波浪統(tǒng)計資料的波浪譜，計算船體在波浪上的運動和載荷，作為船舶強(qiáng)度分析的設(shè)計輸入。因此需要找到船舶服役周期內(nèi)（本船為20年）所受到的波浪載荷極值，并要求船體能夠承受靜水載荷與波浪載荷的合成載荷。為了計算波浪在服役周期的最大波浪載荷，需要將船體置于隨機(jī)波浪的環(huán)境中，計算波浪載荷的長期韋伯分布規(guī)律，從中截取10-8的超越概率的極值，此即為波浪的長期預(yù)報值。

對于無限航區(qū)的船舶其波浪長期預(yù)報，應(yīng)當(dāng)研究其服役周期內(nèi)在世界范圍海域內(nèi)航行經(jīng)受的海況，這一海況由各種周期和波高的波浪在世界海區(qū)出現(xiàn)的概率表示。按照CCS指南的建議，我們采用IACS推薦的波浪散布圖，并使用P-M波浪譜模擬IACS推薦的散布圖中的每一個海況，運用二參數(shù)韋伯分布來擬合長期分布圖。

3.1 載荷傳遞函數(shù)（RAO）的分析

為了研究各種遭遇波浪對船體的影響，需要計算各種周期的規(guī)則波對船體的作用，選取的周期范圍從1S～17S，按照0.5S間隔選取，其它按照1S間隔選取，共選取33個周期。

為了充分觀察不同浪向角的波浪對船體運動和載荷的影響，共選取13個浪向角（從0°～180°。間隔15°，其中0°為隨浪﹑180°為迎浪）。在長期預(yù)報中可以認(rèn)為這13個浪向角以等概率作用在船體上。

根據(jù)CCS指南的要求，本文共選取了距尾垂線1/4L﹑1/2L﹑3/4L的三個截面，分別考慮其波浪載荷。并按照CCS指南的要求，集裝箱船需要重點考慮以下幾個主要載荷參數(shù)： 1/2L處的最大垂向波浪彎矩﹑最大水平波浪彎矩和最大扭矩，以及1/4L處和3/4L處的最大扭矩。

本文應(yīng)用SESAM的子模塊POSTRESP進(jìn)行傳遞函數(shù)的計算，得出在各種遭遇周期下的各個剖面的最大彎矩﹑扭矩在13個浪向上傳遞函數(shù)的計算結(jié)果。

3.2 設(shè)計波的確定

設(shè)計波包括：波幅﹑波浪周期﹑浪向﹑相位等因素。其中，波浪周期﹑浪向以及相位可由POSTRESP中的最不利波浪得到。下面主要說明設(shè)計波波幅的確定。

設(shè)計波的波幅，由主要載荷參數(shù)的長期預(yù)報結(jié)果和傳遞函數(shù)的最大值來確定：

設(shè)計波波幅=載荷參數(shù)長期預(yù)報極值/載荷參數(shù)傳遞函數(shù)最大值

由于在不同波浪上船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)高應(yīng)力的部位不同，所以僅取一個設(shè)計波不足以校核全船的強(qiáng)度，而需要取一組設(shè)計波選取才可以校核船體所有的主要結(jié)構(gòu)部位的強(qiáng)度。為此，可根據(jù)CCS指南相關(guān)規(guī)定選取各個剖面處的主要載荷的設(shè)計波參數(shù)。

使用多個設(shè)計波可以全面的考察船體在各種情況下的應(yīng)力水平。在所有的構(gòu)件中，必然有一些構(gòu)件的強(qiáng)度始終富裕，而另一些構(gòu)件可能在某些工況下失效。按照規(guī)范規(guī)定，即使構(gòu)件強(qiáng)度富裕，但結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸亦不應(yīng)小于根據(jù)規(guī)范公式推導(dǎo)得到的尺寸。

4 全船有限元計算結(jié)果與分析

設(shè)計波確定后，借助于SESTRA模塊可對船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形和應(yīng)力求解，然后再用SESAM中的XTRACT模塊處理和顯示變形﹑應(yīng)力等計算結(jié)果。

按照規(guī)范的要求，對于采用以骨材作為網(wǎng)格間距的時候，許可的Von Mises 應(yīng)力為210/K MPa，其中K為材料系數(shù)。普通鋼K=1.0﹑AH32鋼K=0.78﹑AH36鋼K=0.72。由于本船使用的普通鋼﹑高強(qiáng)度鋼應(yīng)用在不同結(jié)構(gòu)處，因此可以按照不同的材料計算得到各個部分的許用等效應(yīng)力。

在XTRACT中我們利用SCAN的功能可以方便的得到各種設(shè)計波作用下的最大Von Mises應(yīng)力，其中高應(yīng)力區(qū)主要集中在船中的甲板區(qū)域以及船中的艙口圍板附近，因此對船中上甲板以及艙口圍板均需采用高強(qiáng)度鋼以提高許用等效應(yīng)力來滿足應(yīng)力要求。

5 結(jié)語

本文以1750TEU集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為研究對象，應(yīng)用有限元方法進(jìn)行全船彎扭強(qiáng)度分析。應(yīng)用SESAM軟件，對船舶在無限航區(qū)的運動響應(yīng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行了分析，得到主要載荷參數(shù)的長期預(yù)報值，并由此得到各個主要載荷參數(shù)的設(shè)計波參數(shù)，最后在船舶的結(jié)構(gòu)模型上計算船體結(jié)構(gòu)在各個設(shè)計波上的應(yīng)力分布和變形，由此得到了全船的詳細(xì)應(yīng)力結(jié)果，并對計算結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，為集裝箱船的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及優(yōu)化提供了一定的參考。同時，本船的全船有限元結(jié)構(gòu)分析方法，對于其他類型船舶的全船有限元分析也起到一定的借鑒作用。