內(nèi)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(mào)易運費一路下跌，燃料成本上升，國內(nèi)集裝箱運輸受到?jīng)_擊，為追求運輸集裝箱的經(jīng)濟效益，船舶設(shè)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(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)破壞，而且局部結(jié)構(gòu)的破壞還可能傳遞到其它結(jié)構(gòu)，甚至造成整個船體結(jié)構(gòu)的破壞[1]。本文以93.88m 內(nèi)河多用途船為例，在船舶機艙甲板設(shè)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(jié)構(gòu)強度。

1 船舶主要參數(shù)

船舶總長93.88m，型寬18.6m，型深6.6m，吃水5.477m，鋼質(zhì)、雙機、雙槳、雙舵、柴油機推進內(nèi)河多用途船，主要航行于內(nèi)河A、B 級航區(qū)。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(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）（以下簡稱《內(nèi)規(guī)》）的計算要求，對其裝載部位主要構(gòu)件，尤其是主甲板構(gòu)件用直接計算方法進行強度校核。

2 計算依據(jù)和內(nèi)容

依據(jù)的圖紙資料包括：總布置圖、基本結(jié)構(gòu)圖、尾部結(jié)構(gòu)圖、型線圖、完整穩(wěn)性計算書等。

對本船機艙段結(jié)構(gòu)強度進行有限元直接計算，參照《內(nèi)規(guī)》第1 章第1.9.7 節(jié)的關(guān)于局部強度有限元直接計算方法以及許用應(yīng)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(nèi)容包括：

（1）艙段結(jié)構(gòu)（#10-#24）建立三維有限元模型。

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

（3）按照《內(nèi)規(guī)》第1 章1.9.7 節(jié)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(gòu)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(shè)計方提供數(shù)據(jù)，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(yīng)箱角上。

圖2 空箱載荷示意圖

4.3 舷外水壓力

舷外水壓應(yīng)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(qū)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(nèi)規(guī)》的1.9.7.5（1）規(guī)定取用邊界條件，在模型全端面所有節(jié)點上施加ux=uy=uz=0 約束，在一舷所有實肋板的端部節(jié)點施加uy=uz=0 約束，另一舷所有實肋板的端部節(jié)點上施加uz=0 約束；在橫艙壁與船底板交線兩端的節(jié)點上施加uz=0 約束。

5 計算結(jié)果及評估

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

圖3 中拱狀態(tài)板單元形心處中面Von Mises 應(yīng)力

圖4 中垂狀態(tài)板單元形心處中面Max shear 應(yīng)力

圖5 中拱狀態(tài)梁單元 Von Mises 應(yīng)力

圖6 中垂狀態(tài)梁單元 Von Mises 應(yīng)力

各計算工況下得到的應(yīng)力結(jié)果及強度衡準見表2。

表2 滿載空箱出港中拱/中垂狀態(tài)下各構(gòu)件應(yīng)力結(jié)果表（單位：MPa）

6 結(jié)論

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