双体船型清污船结构强度评估

2013-01-11 08:00，，，

船海工程 2013年1期

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(哈尔滨工程大学多体船技术国防重点学科实验室,哈尔滨 150001)

针对双体船型清污船的特殊船型特点，运用有限元分析方法，对船体结构强度进行校核，重点分析船体的横向强度、扭转强度和总纵强度的要求[1-3]。考察结构在设计载荷工况下的应力和变形情况，从而确认现有结构是否满足在相应海域运营的强度要求[4-6]。

1 双体船型清污船有限元模型

该船主尺度见表1。

表1 清污船主尺度

根据结构特点，有限元模型中采用板单元、梁单元等的适当组合，将结构离散为空间板、梁的组合结构。其中，板单元主要用于模拟甲板、底板、围壁等结构；梁单元主要用于模拟纵骨、横梁、垂直和水平扶强材及支柱等构件，并考虑偏心的影响。

按结构适时工况的受力变形及对称性确定边界条件，根据不同的工况设置边界支点及约束条件，也可采用惯性释放方法，结构的有限元模型见图1。

图1 清污船有限元模型

2 载荷与工况

2.1 载荷

双体船结构整体强度评估需要考虑的载荷有重量载荷、静水载荷、环境载荷。其中环境载荷包括总体横向弯矩、总体纵向弯矩、中纵剖面垂向剪力、总体不同步纵摇、总体水平转矩。重力载荷以惯性力的形式施加到结构模型上，静水载荷和环境载荷则以压力和节点力的形式施加到结构模型上。

在施加静水载荷时，所有设计吃水以下的外表面均需施加压力，其作用效果见图2。

图2 静水载荷施加效果

双体船在零航速时所承受的横向波浪载荷通常为最大横向载荷。总体横向弯矩是以横向对开力的形式施加到模型外表面上的，方向为向内和向外两种情况，向内的效果见图3，其值为

Fy=±9.81DFTLF△

(1)

式中：DF，T，LF——系数，

DF=3.24-0.55lg △，

T=1.754d/△1/3，

LF=0.75+0.35tanh(1.65ls/△1/3-6.0)。

图3 总体横向弯矩效果

总体纵向弯矩是通过将总体纵向中拱弯矩ML(+)和纵向中垂弯矩ML(-)施加到独立点上，用MPC将其关联到模型上的，效果见图4，其值为

ML(+)=MW+MSW

(2)

ML(-)=MW-MSW

(3)

式中：MW——纵向波浪弯矩，kN·m;

MW=0.082(CWP/0.75)2.5ls2.5Bs;

Msw——纵向静水弯矩，kN·m。

图4 总体纵向弯矩效果

船体连接桥结构在纵中剖面和与之平行的中剖面处存在垂向剪力Q。该剪力以压力的形式加载到模型上，其中在纵中剖面和纵舱壁根部纵剖面处分别取值Q1、Q2，两端之间沿船宽呈梯形分布，效果见图5。其值为

图5 中纵剖面垂向剪力效果

(4)

Q2=0.25Fy+1.35(△/4)

(5)

双体船两个片体之间的不同步纵摇运动产生的对水平横向轴的纵摇转矩Mp，其值取下列两式计算所得之大者，效果见图6，其中Mp可用均布线载荷p等效。

Mp1=0.125△acgllh

(6)

Mp2=0. 25△acgb

(7)

式中：acg——船舶重心处垂向加速度；m/s2，根据模型试验结果或CCS认可的计算方法进行计算，且不应小于0.35 g。

图6 总体不同步纵摇效果

当双体船遭受斜浪致使横向对开力Fy沿船长方向产生不均匀的分布状况，产生转矩[5-6]，在浪向角为90°(横浪)和45°/135°(斜浪)的情况下，Fy沿船长呈梯形和三角形分布，分布力两端W11和W12的取值分别按公式(8)和(9)计算。

W11=1.12Fy/lsW12=0.88Fy/ls

(8)

W11=1.20Fy/lsW12=0

(9)

2.2 工况

双体船结构总体分析的载荷计算工况应按上述原则进行组合，对双体船的横向强度、扭转强度、纵向强度以及中纵剖面处的剪切强度进行校核。表2给出了全船总体结构有限元直接计算的横向强度和扭转强度的部分设计载荷计算工况。

3 屈服强度结果分析

结构构件的校核标准参照中国船级社《小水线面双体船指南》(2005)，采用板单元建模的结构构件许用应力为0.85σsw，采用杆、梁单元建模的结构构件许用应力为0.60σsw，许用剪切应力取为0.36σsw。目标双体船均采用材料屈服极限σsw为235 MPa的普通钢，应力百分比为应力值/许用应力值。限于篇幅关系，本文给出了横向强度校核、扭转强度校核和纵向强度校核中最危险的工况的分析结果。

3.1 横向强度校核

以浪向角90°时，工况号为1的横向强度校核工况为例。此工况是横浪工况当中最为危险的工况，结果见图7和图8，各位置局部屈服应力评估见表3。

表2 设计载荷计算工况

注：①表中之值为各载荷分量在同一工况号中的组合分配系数，符号√表示需考虑的工况，符号/表示不考虑的工况；②各载荷除在上述要求中定义的加载方式外，一般情况下应化为等效分布载荷施于模型上。

图7 LC1全船Van Mises应力云图

图8 LC1货舱端部连接桥Van Mises应力云图

部位应力种类应力值/MPa应力百分比/%甲板相当应力89.61044.86剪应力-38.17145.12片体底板相当应力49.32324.69剪应力25.46730.10片体内侧板相当应力186.61093.42剪应力45.87054.22货舱底板相当应力167.18983.70剪应力58.48069.13

由表3容易看出整船体应力未超出许用应力，且在连接桥处应力较大，片体内舷侧板的应力值已经达到许用应力值的93.42%，因此在横向强度上应给予足够重视。