82000dwt散货船结构强度有限元分析

刘 文 华

（上海船舶研究设计院，上海 200032）

0 引 言

82000t散货船属于巴拿马型散货船，根据巴拿马运河当局的规定[1]，船长不能超过289.6m，船宽不能超过32.3m。对本船设计影响较大的规范是2006年4月1日生效的散货船共同结构规范和2009年1月1日生效的国际海上人命安全公约（SOLAS）破舱稳性规则。前者决定了船体结构的构件尺寸，后者对货舱长度的选取有很大影响。本船的母型船不满足后者要求，需要改变货舱长度。

为研究规范变化对船体结构强度的影响，首先按照美国船级社（ABS）2005规范[2]要求，采用SAFEHULL V12.0对母型船货舱结构强度进行分析。其次根据国际船级社协会（IACS）在2008年7月和 2009年 7月推出了散货船共同结构规范（CSR）新版本[3,4]，采用MSC Patran/Nastran及中国船级社开发的软件CCS-Tools，对新船型的货舱结构强度进行了计算。

1 基于ABS规范2005版的母型船有限元分析

根据ABS 2005规范第5部分第3章要求， 进行有限元分析时，构件需采用净厚度（总厚度减去名义腐蚀值），进行有限元分析的工况有10种，有限元建模按指南要求[5]，采用三舱段模型，网格大小为肋骨间距。本文利用Patran建模，手工扣除腐蚀余量，再导入SAFEHULL加载，母型船的有限元模型见图1。通过对10种工况的计算结果进行分析，发现母型船的设计合理，结构强度满足规范要求。限于篇幅，仅给出工况1的舱段变形及应力云图，见图2。

图1 母型船有限元模型

图2 母型船舱段变形及应力云图（工况1）

2 基于 CSR2008版的新船型有限元分析

2.1 CSR简介

CSR综合了IACS成员的经验与研究成果。同原有的各船级社规范相比，在设计理念、理论基础和强度计算方法上有很大改变。较原规范主要依据统计回归和经验的设计，新规范更多地应用了先进的力学理论，结构设计和评估需要更多地采用直接计算分析。下面简要介绍CSR对直接强度计算影响较大的两个方面：

1)净尺寸方法

其中：tgross_required——总要求厚度；

tnet_required——净要求厚度；

tc——腐蚀余量。

其中：tgross_offered——总提供厚度；

tas_built——建造厚度；

t voluntary_addition ——自愿增加厚度。

其中：tnet_offered——净提供厚度。

模型中构件厚度=tgross_offered-0.5 tc，屈服强度和疲劳强度粗网格计算时；

模型中构件厚度=tgross_offered-tc，屈曲强度计算时。

2)采用等效设计波（EDW）概念

CSR采用等效设计波方法用于设定设计载荷，包括在静水中和波浪中的船体梁载荷以及与板垂直的侧向载荷。与等效设计波对应的载荷工况有 8种，分别为H1、H2、F1、F2、R1、R2、P1和P2。以前的散货船规范中，对波浪仅考虑波峰和波谷两种情况，没有考虑横浪。等效设计波方法考虑了横浪，从而使不同装载模式下直接计算的载荷工况增加。

由于CSR的复杂性，无法用传统的手工计算方法确定载荷和处理结果。而且，在CSR的直接计算规范中，由于大大增加了工况数以及大量引入细网格和精细网格分析，从而极大地增加了直接计算的工作量。

CSR2008版主要是对文字的编辑性修改[6]，对于有限元分析影响不大。

2.2 屈服强度分析

一般巴拿马型散货船有7个货舱，分别设有重货舱、轻货舱和风暴压载舱。在进行舱段分析时，分别需要建立3个有限元模型进行分析。现对目标舱为轻货舱兼风暴压载舱的有限元结果进行介绍。该模型需要分析22种工况，图3给出了CCS软件生成工况的界面。经过分析，发现屈服强度不够的地方主要是靠近横舱壁处的底边舱斜板，图4给出了底边舱斜板的应力云图。

图3 工况定义

2.3 屈曲强度分析

通过分析，发现屈曲强度不够的地方主要是船底板和甲板。解决的办法有2种。1种是增加板厚，从而减少压应力；另1种就是加筋，从而减小板格，满足屈曲强度要求。图5给出CCS软件屈曲计算的界面，图6给出了上甲板屈曲强度云图。

图4 底边舱斜板Von-Mises应力云图

图5 屈曲计算界面

图6 上甲板屈曲强度云图

2.4 疲劳强度分析

疲劳破坏是一个极其复杂的过程，各船级社都有关于船舶疲劳强度校核的规定，但存在很大的差别，CSR分别统一了油船和散货船的疲劳计算方法。对疲劳敏感区进行分析时，须先在整体舱段模型中重新定义载荷及工况，得到结果用于精细网格模型分析。图7给出了内底与底凳斜板相交处精细网格模型，图8给出了构件相交处的上表面主应力云图。

计算结果表明，该处的疲劳寿命低于 25年。为此可参照文献[7]的方法，对其进行加强：

1)增加折角处内底板的厚度；

2)提高该处焊缝的厚度；

3)对该处焊缝予以打磨（2008版CSR对此方式暂不认可）。 此外，如果是在方案设计阶段，可以通过改变结构形式，提高疲劳寿命。但如果改变结构布置，需要重新进行舱段FE建模，工作量很大。

图7 内底与底凳斜板相交处精细网格模型

图8 上表面主应力云图（工况1-1）

3 基于 CSR2009版的新船型有限元分析

3.1 CSR2009版主要修订点

本次规范修订对于有限元分析影响较大的方面有如下几点：

1)腐蚀余量。重新定义压载舱 3m 范围的区域，底边舱斜板的腐蚀余量将减少0.5mm。

2)边界条件。增加模型尾端独立点绕 X轴的转角，这将对上甲板屈曲计算结果有较大的影响。

3)相对挠度的定义。在这次规范修订中更加明确，从实际计算看，影响不大。

4)焊接残余应力的定义。在这次规范修订中变化很大，对接焊缝和十字型焊缝的残余应力都将为零，这样有可能减少平均应力系数，从而增加构件的疲劳寿命。

5)本次规范修订中增加了焊缝打磨的影响，这将有利于增加构件的疲劳寿命。

3.2 屈服强度分析

通过分析，边界条件的改变对构件屈服强度的影响不大，构件屈服强度不够的区域分布规律与之前的相同。需指出的是，上甲板区域的相当应力减小的范围，与文献[6]中的计算结果相似。从表1中可以看出，边界条件修改后，上甲板的应力值降低。

3.3 屈曲强度分析

计算结果表明，边界条件的改变对上甲板的有限元计算结果有较大影响，对其它区域的构件影响不大。分析原因，上甲板由于边界条件改变，不合理的压应力值减小，从而增加了屈曲安全系数。

3.4 疲劳强度分析

焊接残余应力的修改对于压载舱构件疲劳强度影响不大，但有利于空舱构件。通过焊缝打磨，构件的疲劳强度有明显的提高，本文的计算结果与文献[6]一致。图9给出了文献[6]中修改焊接残余应力和焊缝打磨与规范修改前的累积疲劳损伤对比。图中CSR-B指规范修改前的计算值，mod_1指修改焊接残余应力后的计算值，mod_1（G）指焊缝打磨后的影响。

表1 甲板条取样点在满载斜浪工况（P1）下的应力值[6]

图9 修改焊接残余应力和焊缝打磨与规范修改前的累积疲劳损伤对比

4 结 语

新规范、新公约的推出，有力地促进了散货船的升级。新开发的 82000t散货船的优化开发是在新规范的指导下完成的。通过母型船和新船型的结构强度分析，得到以下3点结论：

1)CSR加强了船体结构强度直接计算，通过有限元分析可以决定大部分船体构件的最终尺寸；

2)CSR直接计算工作量大，结构在满足强度的前提下，进行优化设计需要花费大量时间，从而增加了船型优化的周期；

3)CSR的修订对船舶设计有着积极的影响，加大对规范的研究力度，了解规范的发展动态，对船舶设计有着重要的现实意义。

[1] ACP.Regulation on Navigation in Panama Canal Waters[S].2008.

[2] ABS.Rules for Building and Classing Steel Vessels[S].2005.

[3] IACS.Common Structural Rules for Bulk Carriers[S].July 2008.

[4] IACS.Common Structural Rules for Bulk Carriers[S].July 2009.

[5] ABS.Guidance Notes on Safehull Finite Element Analysis of Hull Structures[S].2004.

[6] IACS.Bulk Carrier CSR – Revision History[S].April 2009.

[7] 詹志鹄.油船公共结构规范中的疲劳强度校核要求[J].舰船标准化工程师, 2005, (6)：17-21.