大型矿砂船货舱段结构强度的有限元分析

樊祥栋 陆红干

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

大型矿砂船 （Very Large Ore Carrier，简称VLOC）是专门用于远洋运输铁矿石的特殊散货船。近年来，世界钢铁工业发展迅速，铁矿石需求量逐年增加，特别是东亚地区尤其中国对铁矿石的需求量直线上升。众所周知，世界上铁矿石主要集中在巴西、澳大利亚以及南非、印度、加拿大等地，故铁矿石需求的增加就使得铁矿石的海运量有了快速增长，从而也就带动了大型矿砂船市场的异常活跃。

一般来说，矿砂船载重量越大，经济性越好，所以矿砂船正朝着大型化发展，加之航道条件的改善和港口建设的快速发展也为其大型化奠定了基础，很明显在今后几年内，大型矿砂船（20～40万t）的需求量会很大，市场前景广阔，所以研究开发大型矿砂船具有重要意义。

大型矿砂船的结构设计是重要的关键技术。这种船在结构上与一般的散货船差别很大，其典型横剖面具有鲜明的特点。矿砂船不在CSR规范规定的范围内，不受IACSURS25的限制，属于特殊的散货船，但不授予散货船统一符号。大型矿砂船自身结构很强的特殊性和船体本身的大型化使得其结构性能备受关注。

本文以250 000DWTVLOC为研究对象。该船设计中由于全船布置较为合理，设计静水弯矩较小，在各种装载工况下总纵弯矩均控制在规范所要求的最小船中剖面模数范围之内，有利于减轻空船重量。但是该船尺度大、载荷大，必须对船体货舱段结构进行三维有限元计算分析。同时由于结构承受的载荷大，所以对高应力区可能产生应力集中的重要结构节点必须进行强度计算分析。本文采用通用软件MSC/PATRAN建立舱段结构有限元模型，根据ABS船级社规范进行设计计算，利用该船级社SAFEHULL软件的PHASE-B模块进行加载，由MSC/NASTRAN进行计算分析，最后通过后处理得到了舱段结构强度的有限元计算结果。

1 舱段有限元模型的建立

该船总长327m，型宽57m，型深25m，载重量250 000 t。模型包含船中区域（0.4L内）的三个货舱和四个横舱壁，以及由前后横舱壁各向外扩展两档肋骨间距范围内的结构，取中间的货舱作为评估对象。用三个舱段模型进行建模计算可在很大程度上减小边界条件对中部评估货舱的不利影响。此外由于一些工况（横浪和斜浪）载荷的不对称性，会产生扭矩，为计及扭矩的影响，采用全宽模型。

为配合SAFEHULL软件，取模型坐标如下：X方向：为船长方向，从船尾向船首为正；Y方向：为型深方向，从船底竖直指向上甲板为正；Z方向：为船宽方向，从船左舷指向右舷为正；坐标原点定在模型中纵剖面的尾端底部［1］。

模型按照ABS规范扣除相应的腐蚀余量。网格划分方面，横向按纵骨间距划分，纵向按1/3实肋板间距划分。模型由134 861个板单元、83 857个梁单元以及26个杆单元组成。具体有限元模型如图1所示。

图1 舱段结构有限元模型

2 计算载荷及工况

矿砂船的计算载荷主要包括船体梁载荷、舷外静水压力和波浪水动压力、舱内货物和压载水的静压力和动压力等。各种类型的载荷成分通过载荷组合因子（LCFS）来组成不同的工况，用来进行结构的评估。

根据矿砂船的布置特点和相应受力特性，ABS船级社要求矿砂船需考虑包括8个装载货物工况（H1～H8）、4 个压载工况（B2、B6、B9、B10）以及 2 个港口静水工况（S11、S12）共14种工况的强度计算分析，具体相关图示见ABS规范。关于装货工况，H5和H6为重货工况，其他为轻货工况。另外该矿砂船的航线是长期固定的，不存在隔舱装载情况，故只考虑均质装载工况。

3 模型加载

本文采用SAFEHULL软件的PHASE-B模块对模型进行自动加载。SAFEHULL是美国船级社（ABS）开发的船体结构设计软件，也可说是船舶结构的设计和分析方法，包括PHASE-A和PHASE-B两个部分。PHASE-A主要用于确定初始构件尺寸和疲劳能力；而有限元分析则是应用其中的PHASE-B模块，通过建立船中区域的三舱有限元模型来评估结构在各种指定工况下的结构响应。SAFEHULL的设计分析致力于使船体结构具有足够的强度和稳定性以及使船体梁具有充足的极限强度［2］。

具体加载过程为：首先将模型导入到SAFEHULL软件中，将PHASE-A中的一些必要信息如Job.X3P、Job.X3S等文件导入到PHASE-B中。接下来的加载工作在PHASE-B中完成，通过输入舱室及载荷信息来生成.3HM、.3HT、.3HL三个重要的文件，其中.3HM文件包含了整体模型的描述；.3HT包含了各舱室的描述；.3HL文件包含了载荷的相关信息。另外一个非常重要的文件为.CGO文件，用来定义货物顶部形状以及货物密度等。最后，在PHASE-B中扫出舱的边界并进行自动加载，如图2、图3所示。

4 边界条件

图2 货舱装载轻货工况

图3 边压载舱压载工况

ABS规范对矿砂船边界的约束类似于散货船，通常只在模型靠近首部一端的一些主要结构连接位置，用少量杆单元模拟弹簧作为边界支撑，组成一个弹性系统，为模型提供水平和垂向的约束，杆单元一端连接模型端部边界节点，另一端则六个自由度全部约束［1］（该项对应于PHASE-B中的*.FIX文件），如图4所示。

图4 散货船边界条件示意图

5 应力衡准

2）屈曲强度、极限强度衡准分别为BKLMT≤1，ULTMT/Sm≤1，具体公式详见 ABS 规范［3］5C-3。

表1 各材料详细衡准

6 计算结果分析

由NASTRAN计算可得结果如图5、图6所示。

接下来通过后处理得到中部评估货舱的各水密结构和非水密结构的屈服和屈曲结果。下面仅列出部分云图，见图7～图10。

图5 整体中垂示意图

图6 整体中拱示意图

图7 屈服应力云图

图8 水密构件屈曲因子云图

图9 横向强框屈服应力云图

图10 纵舱壁屈曲因子云图

本文从实际的计算分析中发现，矿砂船的结构强度有以下几个区域应给予重视：

1）纵舱壁靠近横舱壁的位置。这里承受较大的船体梁剪力，屈曲应力值较高（屈曲因子大），故本文将结构材料等级由AH32提高为AH36，计算结果得到改善；再通过添加扶强材改变结构布置的方式，减小了计算跨距，使结果进一步得到改善；对仍然不满足规范的部分增大其板厚，局部板厚增大至18.5mm。

2）双层底实肋板在靠近纵舱壁的区域。该区域在满载时，中部靠近内底板的部分屈曲因子较大，为满足规范要求，对实肋板部分区域添加横向筋，这样就减小了板格，从而达到了屈曲要求。另外该结构与纵舱壁相交的小部分区域还出现应力集中现象，为满足要求，局部厚度增大至19mm。

3）横向舱口围及舱口间甲板条。横向受压，承受较大的屈曲应力，其横向强度值得关注。

4）横向强框的大开口区域。其端部圆弧位置存在较大的拉压应力。本文给予了适当的加强，最终满足强度要求。

其他区域结构基本满足规范要求，对不满足规范要求的区域通过改变结构布置或适当加大构件尺寸的方式来确保结构的安全。这里不再赘述。

7 结语

由于大型矿砂船的尺寸较大，且具有特殊的结构形式和装载特点，利用有限元进行直接计算分析显得十分重要。本文以250 000DWTVLOC为研究对象，共选用了14种适合矿砂船的计算工况，对其货舱段结构进行了有限元强度的直接计算与分析。直接计算工况非常繁复，通过大量的计算及加强方案的反复比较，最终确定初步的设计方案，并满足规范在有限元结果衡准中引入的屈服强度、稳定性要求，并考虑到大板架的刚度问题。该船结构强度的关键区域有纵舱壁靠近横舱壁位置、货舱双层底肋板靠纵舱壁附近、横向舱口围及其顶部横向甲板条区域、横向强框架开孔区域等。我们在初始设计时，需要注意给予适当的加强，以求得到更高安全设计，及避免以后关键节点处的疲劳强度问题的产生。本文通过直接计算分析，对船体构件进行了有的放矢的加强，不仅保证了船体结构强度，而且比较准确地控制了整船结构重量的增加。在这一点上，直接计算的意义尤为重要。

［1］American Bureau of Shipping.Guidance Notes on SafeHull Finite ElementAnalysis forHull Structures［S］.Dec.2004.

［2］白玉刚.DLA与SAFEHULL.大连国际海事技术交流会论文集（第 2 卷）［C］，2000.

［3］American Bureau of Shipping.RULESFOR BUILDING AND CLASSINGSTEELVESSELS［S］.2007.

［4］何光伟.大型矿砂船综合介绍［J］.广州造船，2007，（4）：60-62.

［5］叶步永，林平根，谢永和.矿砂船船体强度与稳定性分析［J］.船海工程，2007，36（3）：17-19.