国内贸易散货船在2012年规范下结构强度的有限元计算分析

罗 伟 黄锦涛 张 弛

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

48500 DWT散货船是上海船舶研究设计院（上船院）自主开发和设计的众多内贸散货船中的一型，属于典型的后续优化型。该船入CCS级，在国内多家知名船厂建造，与传统的内贸船特点相似。但CCS《国内航行海船建造规范》（2012版）及2013年修改通报［1-2］（简称修改通报）中关于散货船直接强度计算的内容发生了较大变动，因此对该船的结构设计产生了较大影响，同时规范修改后国内还没有实船进行过相关计算，没有相关经验借鉴。因此需进行独立计算与分析，并比较相互间的差异，达到结构最优化。

该船为一艘钢质、单甲板、尾机型、单机、单桨、单舵、航行于国内近海航区及南京以下长江各港口江海直达散货船，适用于运输散装货物，包括煤、铁矿石、谷物等。48500 DWT散货船在原有母型船基础上进行优化，继承了母型船先进的技术性能指标，在不影响船舶航速和营运成本的前提下，提高了船舶的装载量，提升了船舶的经济性。同时该船集实用性、经济性、安全性等于一体，在未来的船舶营运市场将更具竞争力。

1 船型介绍

1.1 船舶主要参数

1.2 布置特点

该船为航行于国内近海航区及南京以下长江各港口江海直达散货船，受航线影响，具有较大宽深比的特点，吃水相对于同尺度的海船小，以满足长江河道水深的要求。

该船设五个货舱，总布置图见图1。顶边舱、底边舱、双层底以及横舱壁底凳均可作为压载水舱。上甲板、双层底、顶边舱、底边舱和管弄都为纵骨架式结构，其他部分除首楼以外都为横骨架式结构。典型横剖面见图2。

图1 总布置图

图2 典型横剖面图

2 舱段有限元分析

有限元建模、加载与计算过程均参照中国船级社 《散货船结构强度直接计算分析指南》（2003版）（简称《指南》）和中国船级社《国内航行海船建造规范》（2012版）及2013年修改通报的要求进行，计算结果亦根据其规定标准来评估。

相比于中国船级社 《国内航行海船建造规范》（2011版），《修改通报》在诸多方面产生了变化，主要变化有：

1）模型，由三舱段模型修改为两个半舱加一个中间整舱模型；

2）边界条件，对总体载荷和局部载荷分别施加约束；

3）计算载荷、货物压力和水压力计算公式有所变化。

2.1 结构模型

货舱段有限元模型包括船中第四货舱区的1/2个货舱+第三货舱区的整个货舱+第二货舱区的1/2个货舱，由于结构和载荷左右对称，采用半宽模型，具体如下。

1）纵向：从FR89到FR161（X从船尾指向船首方向为正）；

2）横向：半个船宽范围（Y从船中指向左舷方向为正）；

3）垂向：从船底到舱口围顶点（Z从船底竖直指向上甲板为正）。

对模型中的板和T型材的腹板采用4节点板壳单元模拟。为了避免在高应力区产生应力突变，因此尽可能避免在高应力区使用三角形单元；对于各类板上的扶强材以及纵桁、强横梁的面板等采用2节点的梁单元模拟，并考虑偏心的影响。有限元模型见图3。

图3 舱段结构有限元模型

2.2 材料特性

结构由普通钢和高强度钢构成，货舱段顶边舱、甲板结构和舷侧外板（冰区加强区域除外）、船底结构分别采用不同的高强度钢。计算中取材料的物理特性参数如下：杨氏模量E=2.06×105N/mm2；泊松比μ=0.3；密度 ρ=7.85×10-9t/mm3。

2.3 边界条件

本计算按照《修改通报》的规定施加边界条件。

2.3.1 纵中剖面对称边界条件

采用半宽模型，纵中剖面内节点的横向线位移、绕纵中剖面内两个坐标轴的角位移约束，即：δy=θx=θz=0。

2.3.2 局部载荷工况边界条件

端面A与B施加对称边界条件，端面内节点的纵向线位移，绕端面内两个坐标轴的角位移约束，即：δx=θy=θz=0。

应约束舷侧外板、内壳板与中部货舱前后舱壁及甲板的交点D、E处的垂向位移，在舷侧外板、内壳板与中部货舱前后舱壁的交线C上的节点施加垂向弹簧单元。

局部载荷边界条件见表1。

表1 局部载荷边界条件

2.3.3 总体载荷工况边界条件

在端面A与B内中和轴与纵中剖面相交处建一个独立点H，在独立点上施加总纵弯矩，端面各纵向构件节点自由度 δx、δy、δz与独立点相关。

端面A与B内中独立点H的横向线位移、垂向线位移、绕纵向轴的角位移约束，即：δy=δz=θx=0；端面A内独立点H纵向线位移约束，即δx=0。

总体载荷边界条件见表2。

表2 总体载荷边界条件

模型边界条件见图4。

图4 边界条件

2.4 计算载荷

本计算根据《修改通报》的要求进行加载。

2.4.1 货物压力

舱内货物的压力按式（1）确定：

式中：ρc——货物密度，t/m3；

av——加速度，m/s2；

hc——计算点至货物顶面的垂直距离，m

α——板与水平面之间的夹角（舱壁与水平面的夹角为90°，内底与水平面的夹角为0°）；

δ——货物的休止角（矿石和煤为35°，盐、黄沙、石子、谷物等为 30°，散装水泥为 25°）

2.4.2 舷外水压力

舷外水压力包括海水静压力和海水动压力两部分组成。

1）海水静压力 phs按式（2）计算：

2）海水动压力：

舷侧水线处的海水动压力按式（3）计算：

船底边缘处（舭部）的海水动压力按式（4）计算：

船底中纵剖面处的海水动压力按式（5）计算：

式中：fr——航区系数

B——船宽，m；

Cb——方形系数；

d1——计算工况下的吃水，m

2.4.3 压载水压力

液舱内液体产生的侧向压力pi按式（6）计算：

式中：ρ——液体的质量密度，t/m3，计算时取值应不小于1.025 t/m3；

h——计算点量至液舱顶的垂直距离，或量至益流管顶垂直距离的一半，取大值，m

2.4.4 端面弯矩

2012版以前的规范中，端面弯矩由静水弯矩Ms、波浪弯矩Mw和修正弯矩Mr三部分组成：

修正弯矩Mr是由于局部载荷引起的附加弯矩，用简单梁方法进行计算，取模型中最大值。

在计算中我们可以把所有的弯矩同时加在一个端面上；而2012版规范中，为了防止在修正由局部载荷引起的附加弯矩时产生误差，把总体载荷和局部载荷分开，各自单独进行考察。

总体载荷包括端面弯矩由静水弯矩Ms和波浪弯矩Mw；局部载荷为货物载荷。

软件计算中，分别计算出总体载荷和局部载荷的各工况应力值，然后再在软件中进行拟合，得出各工况总应力。

2.5 计算工况

计算工况选取参照《修改通报》的相关规定。本船无重压载舱，航行时无隔舱装载工况，因而按照规范要求，选取了需要进行核算的相关工况。

2.6 主要支撑构件屈服校核

如图5为工况1下的舱段相当应力表现，其他工况下的应力情况这里就不再赘述。

图5 工况1结构相当应力分布图

通过对设计方案的有限元屈服强度计算，发现在满足总纵强度、局部强度的规范要求下，绝大部分构件在计算要求的工况下比较容易满足校核准则的要求，仅局部区域有不能满足屈服校核准则要求的情况发生，设计方案中采用提高钢级并部分加厚的方法。

从表3船体主要结构在所有工况下的应力最大值可以看出，修改后的方案中所有的构件计算结果都能满足屈服校核准则的要求。

表3 船体主要结构在所有工况下的应力最大值

2.7 主要支撑构件屈曲校核

该船的屈曲计算采用CCS的功能增强插件“船舶板格屈曲评估系统”进行，腐蚀增量按《指南》选取，主要对双层底纵桁、肋板、甲板、船底板、内底板、顶边舱舷侧外板、顶边舱和底边舱横向强框架、槽型舱壁和凳板进行校核。屈曲安全因子依照《修改通报》的相关规定选取。由于计算中实际加载情况发生了变化，板格屈曲最小安全因子λ有所下降，见表4。

表4 最小屈曲安全因子λ

经计算后，屈曲强度有问题的区域主要有：顶边舱强框架；船底板。

对于不满足屈曲强度要求的横舱壁附近的顶边舱斜板和顶边舱强框架采取加筋的方式来提高板格的稳定性。为了控制船舶空船重量，对于屈曲强度不能满足要求的船底板采用逐步增加板厚的方式处理，局部不够的地方加筋。

经过处理，所有板格屈曲强度满足要求。其中船底板屈曲安全因子λmin＞0.8，满足要求。顶边舱强框屈曲计算结果如图6。

图6 顶边舱强框屈曲安全因子λmin＞1.0

与规范没有变化前相比较［3］，两者大部分计算结果比较相近，同时由于变化产生的计算结果差异主要表现在：

1）船底板加厚区域板厚适当减小，同时屈曲筋的数量减少；

2）双层底实肋板所需屈曲筋数量明显减少等。

3 结语

《修改通报》与以往规范相比，在外部载荷公式、计算工况、评判标准等方面都有不少变化，尤其是在端部边界约束条件和端面弯矩方面的变化对整个计算产生很大的工作量，并与传统计算步骤和结果也有很大差异，因此需要我们仔细分析和认真总结。2012版规范与以往规范相比引入了船舶运动加速度和海水动压力；同时为了消除以往局部载荷弯矩附加弯矩的影响，采用局部强度载荷与总强度载荷叠加法，相比于以往规范，《修改通报》更趋合理。

最终计算送审结果基本能满足规范要求，结果规律与母型船结果基本相符，没有因为规范的变化导致后续船舶结构设计中产生很大的变化，打消了我们对规范修改可能会对设计工作有很大影响的疑虑，为我们后续计算提供可靠参考和实际经验。

［1］中国船级社.国内航行海船建造规范［S］.2012.

［2］中国船级社.国内航行海船建造规范.2013修改通报［S］.2013.

［3］罗伟.46000 DWT内贸散货船舱段结构强度有限元计算［J］.船舶设计通讯，2011（1）：26-30.