多用途船長(zhǎng)貨艙直接強(qiáng)度分析

劉 輝，姜海寧，紀(jì)宏源，馮 可

（中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司 技術(shù)研發(fā)中心，遼寧大連 116600）

0 引言

本項(xiàng)目是航行于無限航區(qū)的50 000 DWT多用途船。本項(xiàng)目為全焊接、鋼質(zhì)的單甲板、雙層殼、雙層底船，首、尾分別為直首、方尾，貨艙區(qū)域設(shè)有橫艙壁、工作通道、舷側(cè)和底壓載艙。船體在貨艙區(qū)域底部和舷側(cè)的結(jié)構(gòu)形式為縱骨架式，艙壁的結(jié)構(gòu)形式是橫骨架式[1]。

本項(xiàng)目的主尺度及主要參數(shù)如下：總長(zhǎng)LOA：189.5 m；垂線間長(zhǎng)LBP：186 m；型寬B：32.26 m；型深D：18.3 m；設(shè)主吃水dd：11 m；結(jié)構(gòu)吃水ds：12.5 m；方形系數(shù)Cb：0.81；肋距：0.795 m；目標(biāo)艙（長(zhǎng)貨艙）尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：55.65 m×27.26 m ×16.67 m。本項(xiàng)目入級(jí)CCS，計(jì)算船長(zhǎng)L取97%水線長(zhǎng)，為183.815 m。

為保證船舶航行安全、結(jié)構(gòu)安全，在規(guī)范計(jì)算的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)行貨艙艙段的直接強(qiáng)度計(jì)算：依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行三維有限元建模；按照 CCS《雙舷側(cè)散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》（以下簡(jiǎn)稱《指南》）進(jìn)行邊界條件施加；按照CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）計(jì)算波浪載荷，以及按照裝載手冊(cè)取靜水彎矩；按照裝載手冊(cè)提供的工況計(jì)算貨艙及艙蓋上的壓力及壓載艙的靜水壓力[2]。

本項(xiàng)目不考慮貨艙內(nèi)裝載集裝箱工況，校核目標(biāo)艙為長(zhǎng)貨艙。

1 貨艙段有限元模型

1.1 模型范圍

本項(xiàng)目所使用的有限元模型由NAPASteel軟件創(chuàng)建，為全寬模型，模型長(zhǎng)度從機(jī)艙前艙壁到防撞艙壁，模型艙長(zhǎng)與真實(shí)長(zhǎng)度一致。對(duì)于所有的板采用三節(jié)點(diǎn)和四節(jié)點(diǎn)殼單元建模，對(duì)于型材采用二節(jié)點(diǎn)單元建模，沒有建立肘板、穿越孔、小的管子開孔等。如圖1所示。

有限元網(wǎng)格沿著縱向按肋骨間距劃分，沿著橫向按縱骨間距劃分，沿著垂向按骨材間距劃分，單元盡量保證正方形或矩形，部分結(jié)構(gòu)空間采用三角形單元。

圖1 全尺寸有限元模型

1.2 邊界條件

根據(jù)《指南》的規(guī)定，本項(xiàng)目需要計(jì)算總體載荷工況與局部載荷工況，其邊界條件的施加不同，需分別滿足表1和表2的邊界條件。邊界條件示意圖見圖2。

表1 局部載荷工況

表2 總體載荷工況

圖2 邊界條件示意圖

1.3 計(jì)算工況及載荷

考慮本項(xiàng)目具有長(zhǎng)貨艙的型式特點(diǎn)，《指南》中規(guī)定的工況無法涵蓋本項(xiàng)目，因此按照裝載手冊(cè)的裝載工況考慮，對(duì)危險(xiǎn)的裝載工況進(jìn)行計(jì)算。本項(xiàng)目計(jì)算工況為：到港壓載工況（工況04）、到港均布裝載貨物工況（工況06）、到港一般裝載工況（艙蓋裝集裝箱）（工況08）、到港鋼卷裝載工況（工況10）。

到港壓載工況載荷為壓載水注滿工況，其載荷按照內(nèi)部靜水壓強(qiáng)形式施加，單位為N/mm2。

到港均布裝載貨物工況載荷為貨艙裝滿工況，計(jì)算載荷按照艙底均勻分布施加3 t/m3。

到港一般裝載工況（艙蓋裝集裝箱）載荷為貨艙裝滿、艙蓋裝滿集裝箱工況，貨艙計(jì)算載荷按照艙底均勻分布施加12 t/m2，艙口蓋載荷采用MPC點(diǎn)將載荷傳遞到艙口圍腹板上。

到港鋼卷裝載工況載荷為貨艙裝滿鋼卷，計(jì)算載荷按照艙底均勻分布施加20噸/個(gè)，D=1.6 m，L=1.6 m，2tiers。

外板靜載荷按照《規(guī)范》要求外部海水靜壓力Phs進(jìn)行施加，單位為N/mm2。

外板動(dòng)載荷按照《規(guī)范》要求水線以下任一點(diǎn)的海水動(dòng)壓力Phd進(jìn)行施加，單位為N/mm2。

2 計(jì)算結(jié)果

按照散貨船裝載考慮，長(zhǎng)貨艙各部分主要結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力的許用值和計(jì)算值、剪切應(yīng)力的許用值和計(jì)算值如表3所示，應(yīng)力分布圖如圖3和圖4所示。

表3 各主要構(gòu)件上的單元應(yīng)力

圖3 綜合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

本項(xiàng)目對(duì)50 000 DWT多用途船的長(zhǎng)貨艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：

圖4 剪切應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

1）按照裝載散貨船考慮時(shí)，考慮裝載手冊(cè)中所列的工況，本項(xiàng)目的強(qiáng)度計(jì)算滿足要求。

2）艙口角隅是大開口船舶的特別關(guān)注的熱點(diǎn)，通常有效的正/負(fù)角隅設(shè)計(jì)以及有限元模型的細(xì)化分析可以有效避免高應(yīng)力的出現(xiàn)。

3）在實(shí)際的貨物裝載時(shí)，除了按照裝載手冊(cè)調(diào)整壓載水外，還要考慮貨物與壓載水對(duì)長(zhǎng)貨艙的扭轉(zhuǎn)影響，盡量減小橫艙壁附近的剪切應(yīng)力。