內河多用途船甲板載運集裝箱有限元計算

趙階保

（安徽省淮河船舶檢驗局，安徽 蚌埠 233000）

海上貿易運費一路下跌，燃料成本上升，國內集裝箱運輸受到沖擊，為追求運輸集裝箱的經濟效益，船舶設計在機艙甲板處載運集裝箱，對機艙甲板局部強度影響很大，裝載不當不僅會導致局部結構破壞，而且局部結構的破壞還可能傳遞到其它結構，甚至造成整個船體結構的破壞[1]。本文以93.88m 內河多用途船為例，在船舶機艙甲板設計載運五層空箱，為最大保護貨物運輸安全性，采用有限元建模驗證船舶的結構強度。

1 船舶主要參數

船舶總長93.88m，型寬18.6m，型深6.6m，吃水5.477m，鋼質、雙機、雙槳、雙舵、柴油機推進內河多用途船，主要航行于內河A、B 級航區。由于本船在機艙主甲板處載運集裝箱，參考中國船級社《鋼質內河船舶建造規范》（2016）（以下簡稱《內規》）的計算要求，對其裝載部位主要構件，尤其是主甲板構件用直接計算方法進行強度校核。

2 計算依據和內容

依據的圖紙資料包括：總布置圖、基本結構圖、尾部結構圖、型線圖、完整穩性計算書等。

對本船機艙段結構強度進行有限元直接計算，參照《內規》第1 章第1.9.7 節的關于局部強度有限元直接計算方法以及許用應力標準，對本船強度進行評估，計算采用的軟件是MSC.MPatran/Nastran，分析內容包括：

（1）艙段結構（#10-#24）建立三維有限元模型。

（2）計算作用在模型范圍內的載荷，舷外水壓力按照 A 級航區實際吃水進行計算。

（3）按照《內規》第1 章1.9.7 節的要求進行強度評估。

3 有限元模型

采用三維有限元模型進行本船機艙主要構件的強度直接計算，模型范圍取為全寬模型，艙段模型的縱向范圍從肋位Fr10 到Fr24，垂向范圍為船體型深。

圖1 艙段模型示意圖

4 載荷與邊界條件

4.1 計算工況

表1 各種計算工況

4.2 空船、空箱載荷

按照設計方提供數據，空船重量分布以重力加速度的形式施加到模型中。標準空箱載荷共137t 施加在對應箱角上。

圖2 空箱載荷示意圖

4.3 舷外水壓力

舷外水壓應按下式計算，按壓力分布施加到模型各單元上：

P=9.81(h-z) kN/m2

式中：h—計算水柱高，m，對于航行工況，取h=d±r，但0 ≤h ≤D，對于碼頭工況取h=d；d—計算工況的船舶吃水，m；r—半波高，m，按A 級航區取1.25m；D—型深，m；z—單元壓力中心跟基線的距離，m。

4.4 邊界條件

按照 《內規》的1.9.7.5（1）規定取用邊界條件，在模型全端面所有節點上施加ux=uy=uz=0 約束，在一舷所有實肋板的端部節點施加uy=uz=0 約束，另一舷所有實肋板的端部節點上施加uz=0 約束；在橫艙壁與船底板交線兩端的節點上施加uz=0 約束。

5 計算結果及評估

分別提取各種計算工況下板單元和梁單元應力結果中的最大/最小值，按照強度標準進行衡準，列舉部分應力計算結果云圖，見圖3-6。

圖3 中拱狀態板單元形心處中面Von Mises 應力

圖4 中垂狀態板單元形心處中面Max shear 應力

圖5 中拱狀態梁單元 Von Mises 應力

圖6 中垂狀態梁單元 Von Mises 應力

各計算工況下得到的應力結果及強度衡準見表2。

表2 滿載空箱出港中拱/中垂狀態下各構件應力結果表（單位：MPa）

6 結論

計算結果表明：在各種工況的載荷作用下，本船機艙段（#0-#24）結構中的各種板殼結構的板單元應力分量，以及各種構件上的骨材、加強筋、面板以及梁單元的應力均在表5.1 所示的強度標準之內，表明本船各種構件的強度滿足要求。