散货船船体货舱段强度的有限元计算分析

袁培银,赵　宇,雷　林,孙　鹏,张　丹

(1.重庆交通大学　a.航运与船舶工程学院; b.建筑与城市规划学院,重庆　400074;

2.中远船务工程集团有限公司,江苏 南通　226000)



散货船船体货舱段强度的有限元计算分析

袁培银1a,赵宇1b,雷林1a,孙鹏1a,张丹2

(1.重庆交通大学a.航运与船舶工程学院; b.建筑与城市规划学院,重庆400074;

2.中远船务工程集团有限公司,江苏 南通226000)

摘要：为保证船体结构在运营过程中不发生过大的形变，产生不必要的经济损失，通过Patran有限元软件对船舶货舱段的强度进行计算分析，建立了船舶货舱段有限元模型；通过选择合理的约束形式，确定计算工况，施加相应荷载，获得有关船舶货舱段强度的相关数据，寻找船舶货舱段局部强度的特点，通过计算结果指导船体的结构设计和优化。

关键词：散货船舱段；船体结构；有限元分析

伴随着海上贸易的日益扩展，船舶运输在经济发展中的作用逐渐引起重视。货船运输成本低、效率高、安全可靠。船体货舱段的大小是决定货运量的重要依据。因此，局部舱段加强型船舶的需求量不断增大。海上运输船需按照《钢质内河船舶建造规范》(2009)[1-5]，对船舶舱段的主要结构进行有限元分析。有限元分析是大型船舶结构设计及优化的重要手段，通过分析可以在满足船舶强度要求下尽可能减小板厚和结构尺寸，降低空船质量，从而减少船舶的建造成本，增加载质量。同时，在分析结果中也可以查看舱段的高应力区，不仅为舱段的安全性评估提供依据，也为船舶的优化设计提供一定的参考[6-10]。

1 船体有限元模型

1.1结构模型

船体为左右对称结构，模型范围为：纵向从#24肋位至#159肋位；横向为整个船宽；垂向为整个型深。模型甲板、舷侧板、舭列板、船底板、内底板、横舱壁板、纵舱壁板、肋板、纵桁以及各强构件腹板均采用二维3、4节点壳单元模拟，其他纵骨、加强筋以及强构件面板等用2节点梁单元模拟。本模型总节点数为105 067，单元数为158 390。模型材料：弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比为0.3，密度为7.85 t/m3，屈服强度为235 N/mm2。

1.2坐标系

坐标系的原点取在#24肋位处船体中心线与基线相交处。X轴指向船首为正；Y轴由原点指向左舷为正；Z轴垂直向上为正。整体有限元模型见图1。

图1　整体有限元模型

1.3边界条件

根据《钢质内河船舶建造规范》，船体中部舱段有限元模型的边界条件如下：在两端面中和轴与中纵剖面交点处各建立一个独立点N1，N2，端面上的各节点与独立点进行刚性关联。在独立点N1，N2上分别施加线位移约束：即u1x=u1y=u1z=0，在另一端面所有节点上施加横向、垂向线位移约束，即u2y=u2z=0，如图2所示。

图2　边界条件

1.4计算工况及荷载

1.4.1计算工况

根据《钢制内河船舶建造规范》及稳性计算书，计算工况及载荷见表1。

表1　计算工况

1.4.2荷载

1) 舷外水压力

模型的范围是#24～#153肋位，所以在#24肋位处，吃水为7.476m；在#153号肋位处，吃水为6.470m。整个舷外水压力在船长方向呈梯形分布，在型深方向呈三角形分布。舷外水压力为

P1=ρgz1-ρgz=

9 810×(7.476-0.013x-z) N/m2

式中：ρ为舷外水密度，1.0×103kg/m3；g为重力加速度，9.81m/s2；x，z分别与模型坐标系对应。

2) 端面弯矩

此工况下船舶呈中拱状态，端面弯矩见表2。

表2　工况LC1端面弯矩

3) 舱内货物压力

货物密度为2.86t/m3；内底板上有：

P=ρgh=2.86×9.81×3.663=102.77 kN/m2

其中h为货物顶端距内底板的高度，h=3.663m。

2计算结果

2.1船体各构件许用应力

许用应力衡准是根据《钢质内河船舶建造规范》(2009) 中选取，普通钢结构许用应力如表3所示。

表3　屈服最大许用应力

表3中：σe为板单元表面相当应力；σl为板单元中面沿船长方向应力；σz为梁单元节点合成应力，+σz表示组合拉应力，-σz表示组合压应力；τ为板单元剪应力。

2.2船体部分结构应力云图

应力云图见图3～10。

图3　舷侧板板单元沿船长方向应力σl(LC1)

图4　舷侧内壳板板单元沿船长方向应力σl(LC1)

图5　船底板沿船长方向应力σl(LC1)

图6　内底板沿船长方向应力σl(LC1)

图7　船底纵桁相当应力σe(LC1)

图8　实肋板相当应力σe(LC1)

图9　强框架相当应力σe(LC1)

图10　横舱壁相当应力σe(LC1)

2.3计算结果统计及最大应力出现部位

从有限元分析应力结果(表4)可知：甲板边板、舷侧板、船底板所受的最大应力值均小于许用应力值192 MPa；甲板纵桁与船底纵桁的最大应力值均小于其许用应力值181 MPa；实肋板与强框架的最大应力值均小于许用应力值165 MPa；甲板、船底板所受的最大应力值均小于其许用应力值190 MPa；横向板与纵向板的最大剪应力均小于其许用应力值，应力评估构件的结构强度均满足规范的要求。然而，整个舱段的应力最大部位在实肋板和舷侧内壳板上，在船体结构设计和建造的过程中，有必要对结构进行改进或使用高强度钢。

表4　有限元分析应力结果

由各主要构件最大应力区域汇总(表5)可知：各主要构件的最大应力区域，舷侧板在FR110～FR114之间，与甲板边板相交处应力值最大，船底纵桁在FR90附近，距舯1 800 mm底纵桁与内底板交界处应力值最大。在甲板与横舱壁相交处，即FR90横舱壁、距舯6 450 mm、距基线1 500 mm处，上层建筑前段与舱段结构连接处的甲板区域应力集中，是船体的高应力部位，在船体结构设计中应予以注意。

表5　各主要构件最大σe/σz应力区域汇总

3结论

货船是一种应用范围较广的船型，有着特殊的作业工况和作业特点，对其结构强度有特殊的要求。本文根据实际工程需要，对货船主船体部分舱段的强度进行计算校核，计算中考虑特定工况与不同载荷的组合。计算结果表明：

1) 船体局部舱段各部位应力值均小于许用应力值，船体舱段的强度满足规范的要求。

2) 局部舱段的应力最大区域在FR121实肋板距舯5 400～7 500 mm，与内底板交界处附近。设计时要重点考虑应力集中部位，有必要对结构进行改进。

3) 对于甲板边板、舷侧内壳板，由于参与总纵强度的原因，应力水平比较高，应适当采用高强度钢，能够在满足高应力强度的前提下减小构件的尺寸。

4) 船底板、内底板、横舱壁板，在特定工况与不同载荷的组合下应力值满足强度要求，不需要增加其板厚。

参考文献：

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

[6]王杰德,杨永谦.船体强度与结构设计[M].北京：国防工业出版社,1995.

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[8]曲鹏.小型气垫船结构强度有限元分析研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013.

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[10]楼伟峰,蒋彩霞,胡嘉俊,等.大型水面舰船结构设计载荷研究[J].舰船科学技术,2014,36(9):41-45.

(责任编辑陈艳)

Strength Analysis of Bulk Carrier Part-Cabin Based on Finite Element Method

YUAN Pei-yin1a, ZHAO Yu1b, LEI Lin1a, SUN Peng1a, ZHANG Dan2

(1.a.Shipping and Marine Engineering College; b.College of Architecture and Urban Planning,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2.COSCO Shipyard Group Co., Ltd.,China Ocean Shipping Company, Nantong 226000, China)

Abstract:In order to avoid the excessive deformation of bulk carrier and unnecessary economic losses occur in the process of operation, this paper described many studying results of bulk carrier part-cabin through finite element method in Patran software, and set up the finite element model of part-cabin, and chose reasonable form of constraints, and made sure the working condition, and applied external load, and obtained the relevant strength data of part-cabin, looking for the local strength characteristics of part-cabin, which can guide the ship structure design and optimization for part-cabin by calculation results.

Key words:cabin of bulk cargo; ship structure; finite element analysis

文章编号：1674-8425(2016)02-0053-05

中图分类号：U661

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.02.010

作者简介：袁培银(1987—)，男，黑龙江依安人，硕士研究生，主要从事船舶与海洋工程研究。

基金项目：重庆市社会民生科技创新专项(cstc2015shmszx30011)

收稿日期：2015-10-28

引用格式：袁培银,赵宇,雷林，等.散货船船体货舱段强度的有限元计算分析[J].重庆理工大学学报(自然科学版)，2016(2):53-57.

Citation format：YUAN Pei-yin, ZHAO Yu, LEI Lin, et al.Strength Analysis of Bulk Carrier Part-Cabin Based on Finite Element Method[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(2):53-57.