基于有限元法的96.8米散货船总纵及横向强度评估

冯朝富　张伟

摘 要:本论文以一艘96.8m散货船为对象,采用有限元软件,根据CCS《钢质内河船舶建造规范(2009)》的要求,建立中部舱段模型,对船体结构进行总纵强度和横向强度评估。结果表明,该散货船舱段的主要构件均能满足09规范的强度要求。

关键词:散货船总纵强度横向强度有限元法

中图分类号:U663 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(c)-0006-02

随着世界经济的不断发展,船舶运输的作用日益重要。由于全球对散货运输的大量需求以及散货运输特有的廉价和方便,散货船运输在海上货物运输中所占的地位日益重要,在货运总量中所占的比重也越来越大,运输量占所有海上货运总量的33％,仅次于油轮运输[1]。船舶在营运过程中经常会发生海损事故,造成经济损失和人员生命安全等问题,所以研究船舶强度一直以来都是人们所关注的问题[2]。

1 有限元计算总纵强度

本船为双层底、双舷侧、单甲板、抗扭箱、舷侧与首尾为横骨架式,货舱双层底为纵骨架式,运输干散货。本船的主尺度及主要参数为:总长96.80m,两柱间长91.70m,型宽16.10m,型深7.38m,设计吃水6.48m,方型系数0.852。

1.1 有限元模型

因为实船只有两个货舱,根据CCS《钢质内河船舶建造规范(2009)》(以下简称09规范)[3],该舱段模型纵向范围从Frame39到Frame114,横向范围为船体型宽,垂向范围为船体型深,中间有一道横舱壁,有限元模型见图1。

1.2 边界条件

根据CCS《钢质内河船舶建造规范(2009)》,对于中部舱段有限元模型,在两端面中和轴与中纵剖面交点处各建立一个独立点A、B,端面上的各节点与独立点进行刚性关联;两端面施加端面弯矩,分别选取静水中拱、静水中垂、波峰在舯和波谷在舯时的船舶总纵弯矩绝对值最大的弯矩曲线,插值得到计算舱段前、后端面的弯矩,并将它们施加到独立点A和B上。

1.3 载荷施加[3]

本论文选取总纵强度载荷最大,最危险的工况—满载到港,进行具体研究。载荷包括舷外水压力、货物重量、结构自重。舷外水压力载荷应根据计算工况船舶处于平衡状态时的波面,按压力分布施加到模型的湿表面各单元上。货物载荷应根据计算工况的货物分布,按分布力施加到甲板或底板相应单元上。结构重量载荷应根据空船重量分布,以适当方式施加到模型上。

1.4 计算结果

采用有限元分析方法进行直接计算,可以得到强力甲板以下各构件的应力值,将各主要构件应力值与许用应力值进行比较,结果如表1所示,该散货船舱段主要构件的总纵强度基本能满足09规范要求,但局部存在应力集中现象,主要是在甲板舱口角隅处,超过了许用应力值,有待加强。

1.5 甲板舱口角隅处的加强

舱口角隅板的原始尺寸为:厚18mm,圆弧半径600mm。将以下四种舱口角隅板尺寸的计算结果进行对比分析,具体数值见表2。(1)厚度18mm,圆弧半径0.6m。(2)厚度24mm,圆弧半径0.6m。(3)厚度18mm,圆弧半径1.2m。(4)厚度24mm,圆弧半径1.2m。

由表可知:加大厚度的最大相当应力比原来减小5MPa;加大尺寸的最大相当应力比原来减小20MPa;两者同时改变的最大相当应力比原来减小35MPa。由此可得出结论:两种加强措施对解决应力集中均有效,而且加大圆弧尺寸效果更明显,值得推广。

2 横向强度计算

有时船体的总强度虽能保证,但横向强度不一定能保证,其影响程度一般虽不属全船性的,但它往往影响船舶的正常作业,在某些情况下也会扩及全船(整个平台)。为了保证散货船船体结构在正常使用过程和一定的使用年限具有不破坏或不发生过大变形的能力,有必要进行船体横向强度计算][4]。

2.1 有限元模型

模型范围为半宽模型,舱段模型的纵向范围从肋位Fr39到肋位Fr114;垂向范围为船体型深。模型的两端(简称A端和B端)和中纵剖面(CL)均需约束,详细边界条件按09规范要求施加,载荷也包括舷外水压力、货物重量、结构自重,和1.3节载荷相同。

2.2 计算结果

参考09规范,各主要构件的最大应力汇总见表3。可得出结论:纵向构件的应力值有所减少,横向构件的应力值有所增加,总体而言该散货船舱段主要构件的横向强度均能满足09规范要求。

3 结语

本文根据CCS《钢质内河船舶建造规范(2009)》的要求,选择了满载到港工况,对96.8m散货船进行了总纵强度和横向强度评估,通过对计算结果的分析,得到了如下结论:(1)该96.8m散货船的总纵强度和横向强度,在满载到港工况下,加以具体载荷,基本能满足09规范要求,而且此规范的许用应力值比其他规范的低,即要求更高。(2)该船局部存在应力集中现象,主要是在甲板舱口角隅处,与船中其他区域相比,此处应力明显较大,且超过了许用应力值。对舱口角隅处采取加强措施,即加大板厚和尺寸,然后将对应的两个计算结果进行对比分析可得到,应力均有所减小,但加大尺寸的效果比加大板厚更有效。

参考文献

[1] 关昊.干散货国际航运市场及其波动周期研究.复旦大学硕士学位论文.2009.

[2] 张伟.某散货船结构强度分析.大连海事大学硕士学位论文.2009:1.

[3] CCS散货船结构强度直接计算分析指南(2003).北京:人民交通出版社,2003.

[4] 谢永和,王伟.散货船横向强度有限元分析.船舶工程:2007,6(29).