82 000 DWT系列散货船结构强度直接分析

韦文杰 朱功泉

摘 要：依照《散货船共同结构规范》（2009），基于三维有限元（FE）分析进行主要支撑结构的直接强度评估，校核82 000 DWT系列散货船的屈服强度和屈曲强度。分析和总结该系列散货船的结构特征和设计要点。

关键词：共同结构规范；直接强度分析；屈服；屈曲

中图分类号：U663.83 文献标识码：A

散货船共同结构规范（以下简称CSR规范）是IACS自成立以来第一次系统制定的单一类型船舶规范，随着CSR规范的不断发展与完善，基于CSR规范设计的散货船逐渐成为现阶段船舶市场的主流船型。

82 000 DWT散货船是目前国内最热门的巴拿马型散货船之一。该系列船结构形式为：单甲板、双层底、单壳、上下边舱；船底甲板及上下边舱结构采用纵骨架式；底边舱的强框架设置间距为3档肋距，顶边舱强框架设置间距为6档肋距；横舱壁采用带有上下支凳的槽型结构；货舱区域共分隔为7个舱，隔舱装载工况下第1、3、5、7货舱为装货舱，第2、4、6货舱为空舱，其中第4货舱可兼作重压载舱，以在遭遇大风浪时改善船舶稳性。

该船型的主要参数如下：

总长 ～229 m ； 型宽 32.26 m ； 型深20.2 m ； 结构吃水 14.5 m ；

航速 14～14.5 kn ； 载重量 ～82 000 DWT。

为保证船舶结构的安全，依据CSR规范要求，除需对船体结构进行规范校核外，还需对全船货舱区域进行直接强度分析，包括货舱舱段（重货舱、轻货舱、重压载舱）屈服强度校核；屈曲强度校核及细部疲劳校核。受篇幅所限，本文仅对屈服强度及屈曲强度进行校核。

1 计算模型

有限元建模及计算采用通用有限元计算程序PATRAN/NASTRAN，后期分析采用CCS自主开发的JBP_DSA程序。有限元模型的纵向范围覆盖三个货舱和四个横舱壁；模型端部的横舱壁连同各自壁凳包括在模型中；模型的两端形成垂直平面，任何位于端面位置的强框架都包括在模型中；有限元模型包括船舶的两舷，以考虑横向波浪载荷的不对称性；所有主要构件都在有限元模型中建模，包括内壳和外壳、双层底肋板和桁材系统、横框架和垂直桁材、水平纵桁以及横舱壁和纵舱壁，这些构件上的所有板和扶强材均建模。

受篇幅所限，本文仅分析第四舱（重压载舱）舱室结构的屈服与屈曲：建立三、四、五舱共三舱段的结构有限元模型；选取三、四、五舱段的主要结构，包括横向和纵向的主体结构、主要支撑构件和一些辅助支撑构件，采用SHELL、BEAM等单元建立结构的有限元模型，结构剖面不规则处采用适当方式进行简化。所建模型如图1所示。

图1 计算模型

2 边界条件及工况选取

2.1 边界条件

根据CSR规范的要求，边界条件采用直接法：模型两端简支，端部两剖面的纵向构件节点应与位于中心线上中和轴处的独立点刚性相关。

2.2 工况选取

本报告校核的第4货舱为重压载舱，依据CSR规范的要求，并结合标题船的装载手册，有限元直接强度分析所适用的标准装载工况共22种，主要为：

满载均匀重货（货物密度取为3 t/m3）；满载均匀轻货（货物密度取为实际密度或者1.0 t/m3，取小者）；非满载不均匀装载（重货、轻货）；重压载（第四货舱兼重压载舱压载）；多港（轻货）及隔舱装载（重货）。

剪力分析工况主要为：隔舱装载（重货，本工况为第31号工况，主要校核目标货舱后舱壁处剪力）；重压载（本工况为第44号工况，主要校核目标货舱前舱壁处剪力）。

2.3 许用应力标准

本船采用普通碳素钢和部分高强度钢，其材料换算系数K分别为1.0、0.72。根据CSR规范第7章第2节《分析衡准》中许用应力的规定，考查应力为有限元分析中得到的平面单元（壳或膜）中心的Von Mise相当应力。普通碳素钢许用应力[σ] = 235 N/mm2；AH36号高强度钢许用应力[σ] = 326 N/mm2。

3 计算结果

3.1 屈服因子结果汇总

采用JBP_DSA软件对结构进行屈服强度分析。其中，屈服因子=结构最大相当应力/许用相当应力，屈服因子小于1表示结构满足屈服强度要求。计算结果如表1所示。

表1 各主要结构最大屈服因子结果汇总

3.2 屈服因子云图

采用CCS.Tools软件对结构进行屈服强度分析，在未对结构属性及结构形式做任何修改的情况下，存在大范围不满足屈服条件的结构主要有以下几种：

（1）双层底纵桁

由图2可知最大屈服因子为1.17，深色所示为屈服强度不满足要求的区域，主要位于底凳附近，工况为重压载工况和隔舱装载工况。

修改方法：增大板厚。调整后屈服评估云图见图3所示，结构全部满足屈服强度要求。

图2 双层底纵桁（修改前）

图3 双层底纵桁（修改后）

（2）舱口间甲板纵桁

由图4可知最大屈服因子为1.55，深色所示为屈服强度不满足要求的区域，主要位于顶凳附近，工况为重压载工况和隔舱装载工况。

修改方法：增大板厚。调整后屈服评估云图见图5所示，结构全部满足屈服强度要求。

图4 舱口间甲板纵桁（修改前）

图5 舱口间甲板纵桁（修改后）

（3）顶边舱垂向列板

由图6可知最大屈服因子为1.17，深色所示为屈服强度不满足要求的区域，主要位于舱壁附近，工况为重压载工况和隔舱装载工况。

修改方法：增大板厚。调整后屈服评估云图见图7所示，结构全部满足屈服强度要求。

图6 顶边舱垂向列板（修改前）

图7 顶边舱垂向列板（修改后）

3.3 屈曲因子结果汇总

采用JBP_DSA软件对结构进行屈曲强度分析，屈曲因子小于1表示结构满足屈曲强度要求。计算结果如表2所示。

3.4 屈曲因子云图

采用CCS.Tools软件对结构进行屈曲强度分析，在未对结构属性做任何改变的情况下，不满足屈曲条件的结构主要有以下几种：

（1）甲板

由图8可知最大屈曲因子为1.17，深色所示为屈曲强度不满足要求的区域，主要位于舱口间甲板顶凳附近，工况为满载工况。

修改方法：增大板厚。调整后屈曲评估云图见图9所示，结构全部满足屈曲强度要求。

图8 甲板（修改前）

图9 甲板（修改后）

（2）舷侧外板

由图10可知最大屈曲因子为1.17，深色所示为屈曲强度不满足要求的区域，工况为剪力修正工况（第44号工况），考查区域为前舱壁处结构。而由图中可见，超出屈曲要求的区域位于后舱壁处，超出考查区域，故实际结构满足屈曲要求，结构不需修改。

图10 舷侧外板

（3）舱口端横梁

由图11可知最大屈曲因子为1.17，深色所示为屈曲强度不满足要求的区域。由图中可见，舱口端横梁都不满足要求，工况为满载工况、重压载工况、多港工况和隔舱装载工况。（修改方法：增大板厚及修改结构，在不满足屈曲要求板格中部增加端部削斜的屈曲筋），调整后屈曲评估云图见图12所示。由图所示，结构全部满足屈曲强度要求。

图11 舱口端横梁（修改前）

图12 舱口端横梁（修改后）

4 结果分析及总结

通过以上计算可以发现，对于重压载舱而言，应注意以下结构要点：

（1）对BC-A型船舶货舱兼做重压载舱而言，危险工况主要为满载隔舱工况及深/重压载工况；高应力区域集中在舱壁附近、顶凳附近、底凳附近及货舱舱口角隅，上述区域处顶边舱垂向列板、底边舱斜板、货舱区域舷侧外板及舱口间甲板均需特别注意。

建议上述区域在舱壁附近应适当增加板厚，同时可以采用下列修改结构形式的方法：双层底内部舱壁附近增加短纵桁；顶边舱垂向列板延伸至顶凳的横隔板应采用与垂向列板相同材料且等厚；顶边舱垂向列板与顶边舱斜板连接处，焊接位置不建议位于折角处，建议折角处弯压成型；底凳斜坡板应采用弧形肘板过度至边舱，且与舷侧外板相接；内底板应在每档强框架处，前后设置过度弧形肘板；舱口围边板过度至舱口间甲板的结构应至少横跨2档以上肋位，且应采用高钢级材料；货舱兼重压载舱槽壁纵向长度，相对其他货舱而言应适当增大，顶凳及底凳结构尺寸也应适当增大；对重压载舱而言，前舱壁及后舱壁处底凳板建议均设置为斜板；舱口角隅处不应出现硬点，舱口角隅弧形肘板结构不应过强，其上不建议焊接卸货板；

（2）屈曲较严重区域主要集中于舱口端横梁、舱壁处舷侧外板等处。特别对舱口端横梁而言，如增加板厚不足以起到解决屈曲超标的问题时，可以采用如下修改结构形式：加大舱口端梁过度到顶边舱斜板处的肘板；增大舱口端梁腹板高度；舱口端梁加设水平筋或垂直筋等；

（3）为使应力良好传递，不出现应力集中等情况，还应注意：舷侧肋骨趾端结构应以CSR规范推荐为宜；底凳顶板应与舱壁全焊透；舱口围板趾端应做到良好过度；为保证吸口流量而需对结构修改时，建议适当增大流水孔尺寸，而不建议增多流水孔数量。

参考文献

[1]国际船级社协会.散货船共同结构规范[S].北京：人民交通出版社.2009.

[2]王运龙，纪卓尚.散货船现状及其发展趋势.船舶工程.[J].2006（1）.

[3]任淑霞，徐旭敏.浅谈满足散货船共同规范的结构设计特点.船舶设计

通讯[J].2007（2）.