关于内河货船典型机舱局部强度的思考和建议

朱国锋

(南京市地方海事局, 江苏 南京 210036)

关于内河货船典型机舱局部强度的思考和建议

朱国锋

(南京市地方海事局, 江苏 南京 210036)

围绕内河货船典型机舱局部强度进行了研究，给出了实肋板规范计算的过程，对目前争议较大的实肋板跨距进行了重点探讨，采用有限元建模计算建立了机舱三维有限元模型，选取满载出港工况，并计及半波高的影响，根据规范施加合适的边界条件进行了有限元分析。最后对此类船舶直接计算的计算方案和注意事项给出了几点建设性意见。

内河船；应力；局部强度；实肋板

0 引言

近年来，以长江干线船舶为代表的干散货船的设计及建造技术取得了一定进展，航行于长江干线的船舶绝大多数为浅吃水肥大型双机双尾结构。目前江苏省内河货船设计过程中，设计单位和武汉规范所关于内河货船机舱实肋板尺寸的确定进行过多次探讨，特别考虑到实肋板跨距选取值对剖面模数影响很大，根据规范可以得知，其与跨距的平方成正比，如依据现今规范，实肋板腹板高度需要取得较大才能满足规范要求。

作者长期从事船舶检验和审图工作，对规范中关于机舱实肋板跨距的选取也进行过深入思考。本文依据中国船级社CCS《钢质内河船舶建造规范》(2009)及《钢质内河船舶建造规范修改通报》(2012) (以下简称“规范”)第14章“结构强度直接计算补充规定”第7节“局部结构强度计算”的相关规定，采用有限元直接计算的方法对机舱局部强度进行了分析，并对直接计算方法提出了几点建设性意见。

1 内河货船典型机舱实肋板规范计算

本文选取的内河货船量度为：总长109.80 m，两柱间长103.60 m，型宽20.80 m，型深 8.60 m，设计吃水7.80 m，肋距0.60 m，纵骨间距0.52 m(艏艉区域见图1、图2)，货物积载因素≥0.5 m3/t。本船采用双壳结构，货舱区为纵骨架式结构，艏、艉部分为横骨架式，设置2个长大开口货舱。

按照规范，实肋板剖面模数W应不小于按下列计算所得之值：

W=Ks(fd+r)l2

式中：s为实肋板间距，m；f为系数，按规范2.5.2.2(1)选取；d为吃水，m；r为半波高，m；l为实肋板跨距，m，取两舷侧(或内舷板)之间的距离，或舷侧(内舷侧)与中纵舱壁之间的距离；K为内龙骨修正系数，K=a(l1/l-1.1)+b，其中 ，a、b为系数，按规范表2.5.2.2(2)选取；l1/l为舱长比，l1为舱底平面长度，按规范2.5.2.2(3)选取。

图1 机舱结构侧视图

图2 机舱舱底结构图

根据本船实际结构，选取s=0.6 m，f=1.0，d=7.8 m，r=1.25 m，a=2.5，b=3.0，K=4.0。实肋板跨距l的选取，如果依据规范选取15.8 mm，会导致实肋板尺寸很大。考虑到机舱中由于基座、龙骨和实肋板之间的相互支撑，作者进行了折减计算，l选取为6.0 mm，同时修改通报中机舱部位实肋板剖面模数加强1.3倍要求，可以得到规范要求的实肋板剖面模数为1 016.5 cm3。最终本船实肋板选取为⊥10 mm×500 mm/10 mm×100 mm和⊥12 mm×1 000 mm/12 mm×200 mm 2种结构尺寸，并采用4副1强的结构形式进行布置。

2 有限元模型

2.1结构模型及边界条件

运用MSC.Patran建立了机舱三维网格模型，如图3所示。模型坐标系统原点位于Fr4船底中线处。有限元模型的纵向范围为Fr4至Fr24，整宽模型。建模过程中甲板、舱壁等平板结构用板单元模拟，肋板、船底龙骨、甲板纵桁、甲板强横梁、舷侧纵桁、舷侧强肋骨、舱壁垂直桁等腹板用板单元模拟，面板用梁单元模拟，支柱用梁单元模拟。有限元节点数为20 685个，单元为29 234个。

考虑到本船有限元模型两端均受到横舱壁的约束作用，故模型两端边界条件视为刚性固定。

图3 机舱结构有限元模型

2.3计算工况及载荷

根据船体结构强度的实际受力特性可知，机舱板架受力十分复杂，同时承受总纵弯曲和板架弯曲的联合作用。根据本船稳性计算书，计算工况选取满载出港工况，吃水7.80 m。考虑到《钢质内河船舶建造规范》(2009)及2012修改通报中关于局部强度的相关规定，需要计及1/2半波高的影响，因此船底实际最大水压力达到了9.05 m。水压力的作用采用场进行加载计算。

3 计算结果

本文内河货船的许用应力衡准根据《钢质内河船舶建造规范修改通报》 (2012)表14.7.6.1进行选取，实肋板的许用应力为176 MPa，许用剪切应力为105 MPa，实肋板最大合成应力为56.3 MPa，最大应力位于Fr14船底实肋板顶部与主机座交汇处，最大剪切应力为31.0 MPa，均满足规范要求。机舱局部强度应力分布图如图4所示，船底板架应力分布图如图5所示。

图4 机舱局部强度应力分布

图5 船底板架应力分布

4 结论和建议

(1)本文直接计算中有限元模型的建立、网格划分、边界条件的施加、计算工况的确定以及应力衡准值均严格遵守规范中关于局部强度的要求，从整体有限元计算分析结果来看，规范中有关实肋板剖面模数的计算公式明显保守。本文实肋板跨距选取只为规范要求值的40%不到，剖面模数仅为规范的15%左右，但机舱局部强度以及实肋板强度均满足规范要求。

(2)有限元模型计算范围。根据规范要求和内河货船的实际结构特性，模型范围可选取2道横舱壁之间的机舱部分。内河货船多为单尾和双尾结构形式，型线复杂，每个肋位和基座结构均需独立建模，建模较为复杂。当今规范中有限元模型主要分为梁系模型和板梁组合模型2种，纵观2种模型，梁系模型带有较大的简化，而板梁组合有限元模型能够更加真实的反映结构的实际受力特点。

(3)计算工况。机舱有限元强度为局部强度，与总强度(总纵、总横和扭转)相比，计算工况较少。内河货船一般航行于A、B级航区，A级航区波高为2.5 m，B级航区波高为1.5 m。而实际设计中， B级航区设计吃水一般较A级航区大0.2 m左右，而A、B级航区的半波高相差0.5 m，因此计算航区可仅考虑A级航区。

(4)加减1/2波高的建议。规范中要求局部强度要同时考虑静水和波浪的影响，波浪在局部强度计算中一般视为半波高影响，因此虽然仅考虑A级航区，但需要在静水的基础上加减1/2波高进行处理，而从结构分析的安全性和实肋板强度分析的角度来说，静水加1/2波高可以使其应力更大。综合第3点，可以选A级航区+1/2波高作为计算吃水进行分析。

(5)考虑到一般内河货船总布置和机舱布置的特性，关于局部载荷处理的建议。内河货船上层建筑一般位于尾部，同时考虑到机舱内主机、辅机的重量和上层建筑的重量，如仅考虑机舱局部强度和变形特点，该部分重量使得机舱部分处于中垂状态，而外部水压力使该分段处于中拱，两者相互影响势必会减小结构应力和变形。在设计过程中对上层建筑的重量往往难以得出精确值，因此在实际有限元分析中可忽略主机、辅机等设备以及上层建筑的重量，其计算得到的应力会明显偏大，更为保守和安全。

(6)实肋板跨距在设计中的选取值。如严格按照规范，跨距为两舷侧(或内舷板)之间的距离或舷侧(或内舷侧)与中纵舱壁之间的距离，内河货船在机舱内一般不会设置中纵舱壁。因此，按照规范，实肋板跨距即为两舷侧之间或者内舷侧之间的距离，接近货船开口宽度，如此取值，必使实肋板剖面模数要求值很大。另外，在机舱中一般会设置支柱，因此设计公司在跨距选取时进行折减也存在一定的合理性，下一步可对折减系数进行深入研究。

[1]中国船级社.钢质内河船舶建造规范[M].北京：人民交通出版社,2009.

[2]中国船级社.钢质内河船舶建造规范2012修改通报[M].北京：人民交通出版社,2012.

2014-05-20

朱国锋(1975-)，男，高级工程师，主要从事船舶检验工作。

U661.43

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