某超規范油船總縱強度分析及結構優化設計

摘" " 要：本文以一艘超規范主尺度比的2500DWT油船為研究對象，首先建立主船體船殼水動力模型，基于SESAM軟件按北大西洋波浪譜進行波浪預報并確定設計波；然后基于MSC.PATRAN建立全船有限元結構模型進行總縱強度計算分析；最后根據計算結果對局部高應力區域進行局部加強，對局部低應力區域進行適當優化。結果表明，基于總縱強度分析的結構優化設計可有效減少結構重量冗余，提高載貨量，為超規范主尺度比船的結構設計提供重要指導意義。

關鍵詞：超規范；油船；總縱強度；有限元

中圖分類號：U663.7" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Longitudinal Strength Analysis and Structural Optimization

Design of an Over-Standard Tanker

WU Zifeng

（ Guangdong Shipping Science Research Institute，" Guangzhou 510111， China ）

Abstract： In this paper， a 2 500 DWT over-standard （in main dimension ratio） oil tanker is studied. Firstly， the hydrodynamic model of the main hull is established， and the wave is predicted according to the North Atlantic wave spectrum based on SESAM software， then determining the design wave. And the finite element structure model of the whole ship is established on basis of MSC. PATRAN to calculate and analyze the total longitudinal strength. Finally， according to the calculation results， the local high stress area is strengthened and the local low stress area is optimized. The results show that the structural optimization design based on the total longitudinal strength analysis can effectively reduce the structural weight redundancy and increase the cargo capacity， which provides an important guiding significance for the structural design of the over-standard ship.

Key words： over-standard;" oil tanker;" longitudinal strength;" finite element

1" " "引言

當前，國內船舶結構設計基本依據中國船級社頒布的相關規范要求進行。然而，相關規范中均有明確提示結構規范計算中諸如強弱骨材剖面模數要求值、板厚要求值和波浪彎矩剪力計算等僅適用于主尺度比符合適用范圍的船舶。近年航運業迎來新的發展機遇，市場對船型的需求越發多樣，傳統老舊的船型已不滿足日益發展的強勁需求，逐漸出現不少超出規范主尺度比范圍的特殊船型，如小長寬比船型、大寬深比船型等，均屬于超規范船型。對于此類超規范船型，常規的經驗公式計算方法已不適用，必須采用有限元仿真分析方法校核船體結構總縱彎曲強度水平。楊躍富[1]以一艘非規范尺度比散貨船為例，采用有限元直接分析方法評估和計算船體梁總縱強度；陳華杰[2]研究了大寬深比駁船的波浪載荷直接計算及總縱強度問題；高茂進等[3]分析了一艘超肥大淺吃水型甲板貨船的總縱彎曲強度水平；許博方等[4]對1艘1 036 TEU超規集裝箱船進行波浪載荷長期預報，并對該船進行全船結構強度有限元分析。

采用有限元分析方法可清晰地展示整船結構中真實的應力水平分布情況，是進行整船結構優化設計的重要基礎。蔣明華[5]等以一艘40 000 DWT自卸船為研究對象，分析了自卸船的結構特點，歸納了針對靜水彎矩優化的總縱強度計算方法，實現結構輕量化的目標；劉磊等[6]以83.80 m石油平臺支持船為研究對象，以12種不同工況下的總縱強度應力分析為基礎，對船舶結構進行優化，確定優化方案。本文以一艘超規范主尺度比的2 500 DWT油船為研究對象，通過建立全船有限元結構模型進行總縱強度計算分析，并據此進行結構優化設計，為同類船型的結構設計提供參考依據。

2" " "全船有限元總縱強度分析

2.1" "主尺度參數

本文所研究的超規范油船主尺度參數如下。

本船航行于沿海航區，為運輸閃點大于60°的原油船。由表1知，主尺度比L/B和B/D均超規范要求值[7]，通過把全船結構看作為船體梁，然后建立數個重點橫剖面以校核總縱強度的計算方法已不適用，有必要通過全船有限元總縱彎曲強度計算以全面分析船體結構中的應力分布情況，為后續進行結構優化設計做準備。

2.2" "全船有限元模型

本文采用MSC.PATRAN建立全船有限元結構模型，參見圖1。模型中包含強力甲板以下全船范圍內的船體構件，對于不參與總縱強度計算的甲板室或上層建筑和局部支撐肘板予以忽略，不計入模型之中。殼板單元主要模擬主甲板、內外殼板、船底板、橫縱艙壁及強構件腹板，梁單元主要模擬強構件面板、殼板單元上的小骨材和加強筋。整船結構模型建立完畢之后，還需根據空船重量分布情況，將重量較大的設備和未建模的上層建筑按實際位置建立點質量單元模擬，并采用MPC單元關聯至主船體結構上。其余舾裝、小設備重量則可通過微調材料屬性密度以保證總重力與總浮力的誤差不大于設計排水量的0.01%，重心和浮心的縱向位置誤差不大于船長的0.25%。

2.3" "設計工況、載荷及邊界條件

按照規范[7]要求，計算工況包括滿載、壓載工況以及可能出現的最不利的工況。本文按最危險情況主要校核表2中的工況。

貨油艙和燃油艙油壓力、淡水艙和壓載艙水壓力、舷外靜水壓力以均布力的形式分別施加各自液艙艙壁和船體外殼上。

由于采取整船模型，邊界條件施加方式為：首端點1線位移約束 u1x=u1y=u1z=0；尾封板節點2線位移約束u2y=u2z=0；尾封板節點3線位移約束u3z=0。

2.4" "波浪載荷直接計算

本文基于三維線性勢流理論，采用DNV的SESAM軟件進行波浪載荷直接計算。波浪載荷設計計算值取為10-8概率水平，代表船舶在營運期限20年內可能遭遇的最極端的波浪情況。波浪散布圖選用西北太平洋波浪散布圖[8]。選取的波浪譜是P-M雙參數譜，參見公式（1）。

（1）

式中：ω為波浪圓頻率，rad/s；" "為有義波高，m；T2為波浪跨零周期，s；" " " " " 為能量擴散函數；θ為組合波與主浪角的夾角，rad。

在SESAM中建立外殼Panel濕表面模型，并分別在1/4 L、3/8 L、1/2 L、5/8 L、3/4 L縱向位置上設置五個關鍵計算橫截面，參見圖2。

在patran-pre中建立離散的mass質量模型，按上述兩種工況，以實船的重量重心分布情況分配至20個質量節點上，模擬不同工況下全船的質量分布。

為全面分析不同浪向角、不同頻率的波浪對船體水動壓力的影響，本次計算在0～180度范圍內每隔15度選取一個浪向角，在0.1 rad/s到3.0 rad/s頻域內每隔0.1 rad/s取值計算，共計算13個浪向角和30個頻率計算點。在長期預報中，假設13個浪向角作用在船體上的概率上相等的，即每個浪向角的概率為1/13=0.0769。

圖4為滿載出港船中截面垂向彎矩的傳遞函數，由圖知不同浪向角下傳遞函數最大值大致發生在0.9rad/s～1.0 rad/s頻率范圍內，換算為波長約為62m～76 m，計算船長正處于該范圍內。圖5為兩種工況各計算截面的垂向彎矩和剪力的長期預報極值，最大彎矩值發生在船中處。因此，在結構設計時應著重考慮船中03 L～0.7 L范圍內縱向構件的強度及其沿船長方向的連續性，在此范圍以外的縱向構件可考慮分別向船首和船尾逐漸減弱。此外，剪力極值發生在1/4倍船長和3/4倍船長處，因此，在結構設計時需要注意該兩橫剖面保證有足夠的剖面積承受剪力極值載荷。與規范[7]中波浪彎矩和剪力經驗公式計算值作比較，由波浪載荷長期預報得到的滿載出港船中垂向彎矩比經驗值大約57%，1/4倍船長和3/4倍船長處剪力極值分別比經驗值大約35%和55%，由此可見，波浪載荷直接計算分析方法可消除經驗公式引起的不確定性和不合理性，更能真實地模擬船舶在設計壽命內可能遭遇的最惡劣情況。

表3為最終選取的等效設計波參數，其中設計波波幅可由長期預報極值除以對應浪向角、頻率下傳遞函數值求出。經水動力分析篩選出等效設計波后，因水動力網格單元通常比較粗糙，結構網格單元相對細化，還需將水動力網格單元壓力映射至結構網格單元壓力，以field場函數的形式將波浪壓力施加在結構模型上，參見圖3。波浪對船體產生的慣性載荷則以加速度的方式作用在整個模型上。

2.5" "計算結果分析

圖6和圖7是兩種工況下全船Von-Mises等效應力云圖和全船變形情況。對此進行分析如下：

1）排除局部高應力集中的區域，兩種工況在設計波作用下均出現船中變形最大、應力分布從船中向首尾逐漸減弱的特性，這是由于船中部承受較大垂向彎矩導致。其中滿載出港工況下船中離中和軸最遠的主甲板應力為89 MPa，船底板應力為62 MPa，均小于許用應力220 MPa，且有足夠的裕度。首升高甲板段、尾升高甲板段、船體梁中和軸附近區域應力水平均比較低，在結構設計時可對首尾區域和中和軸區域分別進行適當優化，減少冗余的結構重量，盡可能降低空船重量；

2）滿載出港工況下機艙前壁垂直桁材分別與甲板縱桁、中內龍骨過渡區域的局部應力較大，分別達到195MPa和158MPa。分析其原因主要有二：一是機艙前壁恰好是尾升高甲板與主甲板的交接處以及機艙單層底與泵艙雙層底的交接處，結構幾何上縱向不連續造成局部強構件出現不同程度應力集中；二是機艙前壁處于剪力極值范圍內，該剖面承受較大剪力載荷。因此，在結構設計時需重點關注縱向構件在不連續分界面附近局部結構強度，必要時應對過渡區域內的強構件作適當加強。

3" " "結構優化設計

針對較為危險的滿載出港中垂工況，對結構強度裕度較大的貨油艙段主甲板、船底板等適當減薄；依據應力沿船長方向的分布特性，對首尾升高甲板段結構適當減弱；對應力集中明顯、剪力極值處過渡區域結構作相應加強。具體優化方案及其效果等參見表4。

由表4可知，主要構件減弱后，應力水平均有不同程度的提高，但所有構件應力值仍小于許用值，因此本次基于總縱強度計算的結構優化方案具有可行性。其中貨油艙段主甲板和船底板減薄后應力值僅增加約10%，卻能節省1.5%的空船重量，效果顯著；內底板及中和軸附近的內殼板應力增加不明顯，但因其長期承受貨油液體壓力，故板厚不宜過度減薄；機艙前壁垂直桁經加強后應力值降低約10%，有效降低應力集中引起的局部高應力，且幾乎不增加結構重量。本船空船重量約1 230 t，經優化后結構鋼料節省約58 t，不僅有效減少結構重量冗余降低造船成本，還能預計每年為業主方額外增加3 000 t以上的運油量，使本船的效益和經濟性得到明顯提高，實現降本增效的目標。

表4" 結構優化方案及其效果

4" " 結論

本文通過對一艘超規范主尺度比的2 500 DWT供油船的總縱強度進行分析和研究，形成以下結論：

1）對于超規范主尺度比船型，采用常規的船體梁等效計算方法校核總縱強度已不合適，通過整船有限元仿真分析不僅有效消除經驗公式引起的不確定性和不合理性，還能為船體結構設計提供重要的指導意義和參考價值；

2）波浪載荷長期預報是全船有限元分析的重要一環，該計算方法綜合考慮了船殼型線、海況、船舶壽命等因素，能準確地篩選出運營期限內最極端的設計波參數，使全船總縱強度分析更加合理；

3）滿載、壓載工況均出現船中變形最大、應力分布從船中向首尾逐漸減弱的特性，這是由于船中部承受較大垂向彎矩導致；結構幾何上縱向不連續界面附近容易出現應力集中現象，在結構設計時需重點關注；

4）船體主要構件經優化后，雖然應力水平均有不同程度的提高，但所有構件應力值小于許用值，因此本次基于總縱強度計算的結構優化方案具有可行性，最終結構鋼料節省量可觀，達到降本增效的目的。

參考文獻

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