大型油船槽形舱壁顶凳局部结构优化*

何皛磊 尹 群

(江苏科技大学 镇江212003)

大型油船槽形舱壁顶凳局部结构优化*

何皛磊 尹 群

(江苏科技大学 镇江212003)

槽形舱壁;顶凳斜壁;倾斜角度;优化

根据三舱段有限元分析技术,对货舱区槽形舱壁分别采用不同顶凳结构形式后的应力进行比较。并在此基础上通过改变槽形横舱壁单面斜壁顶凳的倾斜角度,进行了局部结构参数优化分析研究,采用有限元方法,参考应力最大值、应力最小值和应力分布评价因子三种因素,确定了具体结构形式的相对最优倾角,对实船设计提供参考依据。

0 引 言

根据近20年的经典船型[1,2]资料显示,中、小型油船货舱槽形舱壁通常采用直壁顶凳或无顶凳结构形式,而大型油船槽形舱壁结构基本采用斜壁顶凳结构形式。主要是因为槽形舱壁壁凳的设置会使货舱舱容受到一定的损失,但也可以减小槽形舱壁板的跨距,从而减小舱壁的构件尺寸[3],但顶凳结构的减小或取消实际是减小了甲板处的剖面模数,也降低了对舱壁结构的支撑条件,使应力水平增高,产生应力集中。因此,槽形舱壁顶凳结构的设计非常重要。本文针对应力这一结构设计最主要的方面进行研究。

1 槽形舱壁结构形式比较分析

1.1 顶凳结构形式

以巴拿马型成品油/原油船为例,首先针对货舱区采用不同顶凳结构形式的槽形舱壁进行比较分析。

根据该船型实际情况和双壳油船共同结构规范[4]的要求,设计了单面斜壁顶凳、双面直壁顶凳、双面直壁较矮顶凳和横舱壁无顶凳四种结构形式的槽形舱壁,并对槽形做了相应的调整,具体的槽形舱壁设计方案见表1。

表1 槽形舱壁结构设计方案

1.2 舱段结构模型

根据共同规范要求,利用通用有限元软件MSC.Patran分别对上述四种结构形式的六个方案建立中间舱段三个货舱长度,包含左、右舷和整个型深的有限元模型,然后通过ABS船级社软件CSR Safeship Total Strength Assessment和有限元软件MSC.Nastran分别进行加载和计算。

模型的前后端面分别取在FR90肋位和FR198肋位,横向取整个船宽,垂向取整个型深。有限元模型坐标原点取在FR0肋位、中纵剖面与基面的交点处,见图1;计算分析仅针对舱壁结构中部范围内舱壁板和壁凳的顶板、底板、侧板进行,见图2。

1.3 槽形舱壁应力分析

图2 方案1纵、横舱壁von Mises包络应力云图

对船中区域纵、横舱壁整体结构的von Mises应力最大值、最小值和应力分布评价因子(即应力最小值除以最大值)进行统计,具体统计值见表2。由于纵、横舱壁的交接处以及横舱壁与内舷侧的交接处有局部应力集中现象,需要在一个强框间距的范围局部加强,在此不做详细的定量研究。

表2 von Mises应力统计表

从表2中可以看到,顶凳斜壁的倾斜角度、顶凳的高度、槽形尺寸等等,都会对舱壁结构的强度产生影响。数据显示单面斜壁顶凳的应力分布最为均匀,其次为双面直壁较矮顶凳,第三为双面直壁顶凳,最后为横舱壁无顶凳结构形式。

上述结果是基于满足共同规范尺度要求的构件尺寸建模计算得出的,而各结构形式下构件的最小尺寸是不同的,结构形式1和结构形式2中的构件尺寸是相同的,结构形式3和结构形式4的最小板厚都有所增加。如若采用相同的构件尺寸,结构形式1的优势将更加明显。

虽然减小顶凳甚至取消顶凳可在很大的程度上增加舱容、满足实际需求,但从结构设计的角度上来说,尤其是对于大型船舶并不是最理想,如果不追求舱容最大化,建议采用有顶凳的结构形式,特别是较高的斜壁顶凳。

2 顶凳参数优化模型

2.1 结构优化模型

根据三舱段有限元分析结果可知,槽形舱壁采用斜壁顶凳结构形式对于结构强度方面是极其有利的。因此,在此基础上,再针对横舱壁顶凳的斜壁倾斜角度这一参数进行优化分析,采用MSC.Patran软件建模加载,MSC.Nastran软件计算,评估倾角对舱壁结构的影响,寻找最佳倾斜角度和较优范围,供今后槽形舱壁结构设计参考。

鉴于结构形式1和结构形式2中规范计算所得的最小构件尺寸是相同的,本文所采用的优化模型为板厚不变、槽形不变(槽深为1 090 mm、面板宽度为1 170 mm)、底凳结构不变、顶凳高度为3 m不变,仅调整顶凳斜壁倾斜角度θ,见图3。

图3 顶凳优化参数示意图

θ分别取0°(直壁)、5°、10°(2个肋位处)、15°、20°、24°(3个肋位处)、30°、35°(4个肋位处),其中货舱区肋距为800 mm,具体取值见表3。

表3 顶凳优化模型参数值

模型范围纵向取11个肋位,其中横舱壁底凳占3个肋位,底凳向船首和船尾各一个强框间距,即4个肋位;横向取内舷侧至船中;垂向取内底至甲板。模型中仅考虑主要的结构构件,加强结构不包含在内。

模型的总体坐标系采用右手笛卡尔坐标系,X方向为船长方向,指向船首;Y方向为船宽方向,自中纵剖面指向左舷;Z方向为型深方向,自基线指向甲板。

结构模型的建立和载荷的施加过程中采用牛(N)、毫米(mm)、秒(s)的单位制。

2.2 边界条件

有限元模型在结构截断处施加边界条件,甲板和内底板在截断处施以x、y、z三方向的位移约束,横舱壁舱壁板和壁凳在船中处纵舱壁的横向截断处施以x、y、z三方向的位移约束,横舱壁舱壁板和壁凳在内舷侧的横向截断处施以x、z方向的位移约束。模型及边界条件施加的示意图见图4。

图4 θ=24°模型及边界条件施加示意图

2.3 载荷施加

模型上施加的载荷分为货物压力和甲板上水动压力两部分。考虑隔舱装载状态,假定横舱壁向船尾方向一侧为满舱,向船首方向为空舱,液货压力以P=ρgH的方式施加于船尾一侧的横舱壁及内底板上。

甲板上水动压力Ps参考《油船结构强度直接计算分析指南》[5]施加:

3 参数优化计算

3.1 初步优化

有限元的结果评估基于板单元中面应力得到的von Mises应力,主要参考三个值:应力最大值、应力最小值和应力分布评价因子。由于本章的研究对象主要针对顶凳和槽形舱壁板,并且液货舱舱深较深,底凳和内底板仅用于边界条件和载荷的施加,不作为评价对象,而顶凳和槽形舱壁板的应力仅从三个评价因素的变化量上研究,量化应力评估值见表4。

表4 应力评估

从表4中可以看到,顶凳斜壁倾斜角度的改变,对槽形舱壁板的影响较小,应力最大值的变化在10 MPa左右,最小值几乎无变化,且变化规律不明显。但顶凳的应力变化显著,倾斜角度过小或过大都是不利的,直壁时应力最大值高达320 MPa,而倾斜15°～20°时应力最大值还不到230 MPa,相差近100MPa,应力最小值的变化也超过20MPa。

由计算结果可知,对顶凳斜壁的倾斜角度进行优化研究分析是有必要的。当槽形舱壁顶凳设计为斜壁顶凳时,设计合适的倾斜角度对降低应力水平与减少应力集中非常有帮助。现根据应力最小值除以最大值得到的应力评价因子来看,该比值的最大值0.165 9出现在倾斜15°这一优化结论,进一步优化分析,确定相对最佳倾斜角度。

3.2 进一步优化

现根据应力评价因子在倾斜15°时出现最大值0.165 9这一初步优化结论,进一步优化分析,在倾斜角度15°附近再取12°、14°、16°和18°等四个角度进行计算,确定相对最佳倾斜角度。优化参数取值见表5。

表5 顶凳更优模型参数值

结合初步优化结果和进一步结算结果,将应力评估统计值列于表6和图5、图6中。

表6 应力评估统计表

图5 槽形舱壁板应力评估统计

图6 顶凳结构应力评估统计

从图表中可以清楚地看到,倾斜角度对于顶凳应力分布的影响是有规律的。倾斜16°时应力最大值为228MPa,最小值为39.1 MPa,应力分布评价因子为0.171 5,应力分布最为理想;对于槽形舱壁板的影响较小,无明显的规律,应力最大值为124MPa,最小值为24.6MPa,应力分布评价因子为0.198 4。以上三个值并非最优值,但仍为相对较优值,因此,顶凳斜壁倾斜的相对最优角度为16°。

4 结 语

本文根据采用多种顶凳的槽形舱壁的应力分布情况比较结果,总结出在对舱容要求不是非常高时,槽形舱壁应采用斜壁顶凳结构形式,且顶凳高度不宜太小。并在此基础上,通过改变顶凳斜壁的倾斜角度,优化槽形舱壁顶凳局部结构,由分析结果可知该角度的改变对于槽形舱壁板的影响较小,但对于顶凳的应力分布影响非常大,倾斜角度过小或过大都会导致应力过高,产生应力集中现象。

以该模型为例,顶凳高3m,肋距为800 mm,其相对最优倾角为16°;但当顶凳斜壁倾斜16°时,顶凳宽度约为2.5个肋位,不利于结构的加强和保证结构的连续性。倾斜角度在10°～24°之间,即l在2～3个肋位范围内,顶凳的最大应力约为230 MPa,应力变化很小,应力分布情况也较好。从应力评估统计数据可以看出,2个肋位时的应力评价因子要优于3个肋位时,从工程使用的角度上看,模型的最优角度为2个肋位处的10°时。

实船在设计时可根据实际情况取值,在较优的范围内将顶凳的宽度设为肋位的整数倍,通常可取2～3个肋位宽度,这样不仅有利于结构加强和保证结构连续性,也便于船厂施工建造。该优化模型不仅可以用于横舱壁结构的设计,对纵舱壁的结构设计也有同样的参考价值。

[1] RINA Ltd.Significant Ships[J].Significant Ships.

[2] The Royal Institution of Naval Architects.Significant ships[J].Significant Ships.

[3] 刘政权,文彦.70 000吨成品油/原油船中纵槽形舱壁优化设计[C].2006中国大连国际海事论坛论文集,2006:220-225.

[4] IACS.Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers[S].2008,1.

[5] 中国船级社.油船结构直接计算分析指南[S].北京:人民交通出版社,2003.

Local Optimization for Corrugated Bulkheads of Large Oil Tanker

He Xiaolei Yin Qun

corrugated bulkheads;gradient-wall of upper stool;obliquity;optimize

The article analyses the structural stress of the corrugated bulkheads with different types of upper stools by establishing FEM models covering three cargo tank lengths.Further studies of parameter optimization are done by changing the obliquity of the single gradient-wall of the transverse upper stool.In the end,the relatively best obliquity is derived based on the maximum and minimum reference stress,and the evaluation factors of stress distribution by FEM.The results can provide reference to the ship structural design.

2009-11-09

何皛磊(1985.06-),女,汉族,上海人,硕士,主要从事船舶与海洋工程结构性能方面的研究。

尹 群(1964.06-),男,汉族,江西人,教授,主要从事船舶结构力学方面的研究和教学工作。

U663.4

A

1001-9855(2010)05-0023-05