内河玻璃钢船横骨架式实肋板计算公式推导

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(1.中国船级社 武汉规范研究所，武汉 430022；2.山东省济南船舶检验局 潍坊分局，济南 261000)

目前，我国内河玻璃钢船的适用规范《纤维增强塑料船规范》(1991)(以下简称《规范》)，仅适用于船长小于40 m的玻璃钢船，随着航运的需求和发展，内河玻璃钢船的船长已达50 m以上。船舶尺度增大后对玻璃钢船的总纵强度、结构型式及局部强度都会产生一定的影响。1991年编制的《规范》关于局部强度的要求是否适用于船长大于40 m的玻璃钢船等一系列问题亟需进行专题研究。本文以理论分析为基础推导船长大于等于40 m的内河玻璃钢船横骨架式实肋板的计算公式[1-2]。

1 《规范》局部强度适用性分析

1)《规范》及国外同类玻璃钢船规范关于局部构件强度均建立在结构力学的梁理论之上，所采用的力学模型主要是“单跨梁”模型；

2)纤维增强塑料材料虽然是具有正交各向异性特征的线弹性材料，但由于所研究的应力状态主要是单向应力状态和平面应力状态，而且是由正交纤维增强的塑料层板材料，其与纤维平行方向的弹性模量是相同的，所以各向同性线弹性材料的梁的强度理论和板的强度理论仍适用于纤维增强塑料材料；

3)由于在梁理论的体系中，船体横向构件的强度不受总纵弯曲强度的影响，所以《规范》中关于横向构件的强度要求中对实肋板的要求将不适用于船长大于等于40 m的船舶。

2 横骨架式船底实肋板计算公式推导

1)实肋板计算模型采用空间梁系舱段有限元模型，主要构件为：实肋板、强肋骨、强横梁、船底龙骨及甲板纵骨等。实肋板间距取s=0.5 m、强肋骨间距取为S=2.0 m，带板宽度b=0.5 m，舱段宽度等于船宽，构件尺寸见规范中的表5.5.4。分别计算船底龙骨(甲板纵桁)为3、5、7道(以中纵剖面对称均布)时的实肋板最大弯矩。边界条件：船底龙骨(甲板纵桁)在舱壁处分别向两边延伸一个强肋距，并在舱壁处及端点施加简支约束；实肋板两端约束垂向位移。

2)若实肋板最大弯矩为Mmax，强度许用应力为[σ]，则实肋板剖面模数W为

(1)

式中：Mmax——实肋板最大弯矩，kN·m；

[σ]——许用应力，

取[σ]=0.3×180=54 N/mm2。

设W=kshl2，则龙骨道数对实肋板的修正系数k为

(2)

(1)L=40 m、s=0.5 m、h=2.2 m、l=8.8 m。

表1 船长40 m实肋板最大弯矩计算值(舱长l1=10 m、型深D=2.2 m) kN·m

表2 船长40 m时，与Mmax对应的k值

(2)L=60 m、s=0.5 m、h=3.05 m、l=13.2 m。

表3 船长60 m实肋板最大弯矩计算值(舱长l1=14 m、型深D=3.3 m) kN·m

表4 船长60 m时，与Mmax对应的k值

(3)L=80 m、s=0.5 m、h=3.65 m、l=17.6 m。

表5 船长80 m实肋板最大弯矩计算值(舱长l1=18 m、型深D=4.4 m) kN·m

表6 船长80 m时，与Mmax对应的k值

将k值汇总于表7。

k值平均值回归公式为

(3)

表7 龙骨道数对实肋板的修正系数k值汇总表

式中：n——龙骨道数，n≥3，当n>7取n=7。

横骨架式船底实肋板剖面模数W为

W=ks(d+r)l2

(4)

式中：s——实肋板间距，m；

d——吃水，m；

r——计算半波高，m；

l——实肋板跨距，m，取实肋板面板与舷侧交点间的距离。

横骨架式实肋板剖面模数计算公式与原公式的比较见表8。

表8 改进前后W计算值对比

3 结论

本研究推导所得玻璃钢船横骨架式实肋板计算公式，已纳入中国船级社《船长大于等于40 m内河纤维增强塑料船审图原则》(2009)中。有关玻璃钢船舶设计单位和制造厂使用后认为，本计算公式是合理的。

[1] 中国船级社.钢质内河船舶建造规范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[2] 中国船级社.内河高速船入级与建造规范[S].北京：人民交通出版社，2002.