80 m趸船结构强度有限元分析

谭慧娟，宋　健，丁宇翔

(1.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003；2.江苏镇江建工建设集团有限公司，江苏 镇江 212003)



80 m趸船结构强度有限元分析

谭慧娟1，宋健1，丁宇翔2

(1.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003；2.江苏镇江建工建设集团有限公司，江苏 镇江 212003)

摘要：针对80 m趸船估算剖面模数和惯性矩不满足规范要求的问题，根据《国内航行海船建造规范》和《钢质内河船舶建造规范》中相关内容，采用MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN有限元软件，建立全船的结构模型，进行强度校核分析。结果表明，2种方法计算结果均满足规范中许用应力衡准要求，并且2种结果相差较小。该研究方法对同类问题具有一定的借鉴意义。

关键词：趸船；结构强度；强度计算；有限元分析；惯性释放

0引言

趸船是无动力装置的矩形平底的非自航船舶，通常固定在岸边，作为船舶停靠的“浮码头”。近年来，港口货物吞吐量、危险货物吞吐量、船舶交通量、大事故数量等方面均将超过船舶交通风险门限值，原有的小型巡逻艇已不能满足使用。为更好适应港区的开发和地方航运经济发展，解决执法人员办公、生活和学习的需要，海事部门加大了大型巡逻艇的投入使用，因此建设80 m趸船浮码头可以填补主体港区和灌河水域之间监管基站的空白。

80 m趸船是在原有的60 m级趸船基础上全新设计的一型船舶。随着船舶建造规范的不断完善，要求不断提高，对于船舶的结构强度分析要求更加严格。但是，《国内航行海船建造规范》(2014)对于海上趸船没有详细的规范要求，例如当趸船尺度比超过规范中的要求时应如何校核其总纵强度等，目前全船有限元直接计算是分析船舶结构强度直观而准确的方法之一[2]。

1实船的主要量度

80 m趸船的主要量度如下：

船长L

80.0 m

船宽B

15.0 m

型深D

3.0 m

吃水d

1.5 m

梁拱f

0.15 m

计算航区

遮蔽航区

80 m趸船主要用于海事执法、生活起居及船艇停靠。主船体分成135个肋位，0～10肋位和125～135肋位的肋距为0.55 m，其余为0.6 m。通过6道横舱壁将船体划分为若干部分，分别为艉舱、油舱、空舱、泵舱、船舶备品舱、压载舱、备件间、防污器材仓库和艏舱。甲板与船底均采用纵骨架结构，舷侧采用横骨架结构。趸船的总布置图(侧视图)如图1所示。

2最小剖面模数和最小惯性矩的计算

2.1规范计算

本船根据《国内航行海船建造规范》(2014)(以下简称“规范1”)相关规定，在甲板处和龙骨处的船中最小剖面模数W0、最小惯性矩I应不小于式(1)、式(2)：

W0=CL2B(Cb+0.7)

(1)

I=3W0L

(2)

式中：C为系数,C=7.296；L为船长，L=80 m；B为船宽，B=15 m；Cb为方形系数，Cb=0.981。

经计算，W0=1.18×106cm3，I=2.82×106cm4。

2.2实船计算

本船的剖面模数采用海船Compass软件计算，计算所得的最小剖面模数W0′=6.84×105cm3，最小惯性矩I0′=1.19×106cm4，该值均小于“规范1”中要求的最小剖面模数W0和最小惯性矩I。

本船B/D=4.6，尺度比超过规范相关要求。根据“规范1”第2章第2节的相关要求，对于具有L/B≤5、B/D≥2.5中一个或者多个特征的船舶，应采用直接方法计算结构强度，更能反映船体结构强度是否足够。

本文计算采用有限元分析软件MSC/PATRAN、NASTRAN,对80 m趸船的结构强度进行校核评估。本船选用的材料为碳素钢，其泊松比为0.3，材料屈服强度为235 MPa，弹性模量为2.06×105MPa，密度为7 850 kg/m3，重力加速度为9.8 m/s2。

图1　80 m趸船总布置图(侧视图)

3有限元模型

3.1结构模型

本文在建立模型时采用平面四边形板单元(shell)(局部过渡区域采用三角形板单元)描述船体板、强横梁、纵桁、船底实肋板、舱壁垂直桁等强框架的腹板，用一维梁单元(beam)描述纵骨、横梁、强框架面板等构件，通过板梁单元组合的力学模型描述整船的结构。计算时，一般采用强力甲板及以下部分的整船模型，所以模型中忽略上层建筑、小肘板、甲板、平台和舱壁上的小开口等[3]。有限元模型的坐标系为直角坐标系，X轴由尾部指向首部为正，Y轴由右舷指向左舷为正，Z轴垂直向上为正。本船有限元模型坐标原点建立甲板面尾端与中纵剖面相交处。有限元模型的长度单位为m，力的单位为N。全船结构有限元模型如图2所示。

图2　全船结构有限元模型

3.2边界条件

由于船舶结构具有较为复杂的空间结构，直接计算时，有限元模型中的节点数、单元数量庞大，载荷计算的累积误差难以寻求完全平衡的外载荷力系，所以施加合理的边界条件十分重要[4]。

由于船舶结构处于“全自由”状态，在进行有限元静力分析时，采用惯性释放，去掉支座，消除约束点的反力对变形和应力状态的影响，并且使得断面剪力可以施加到计算模型中[5]。惯性释放是MSC/NASTRAN中的高级运用，对于船舶结构强度的有限元直接计算具有很强的实际意义。

3.3计算载荷

(1)本船在营运中主要由舷外水压力和固定压载引起船体弯曲变形。舷外水压力可以根据“规范1”、《钢质内河船建造规范》(2014)(以下简称“规范2”)中的规定进行计算。

根据“规范1”第2篇第1章第9节“结构强度直接计算”要求，船体所受的舷外水压力包括海水静压力和海水动压力。

海水静压力Phs按式(3)计算：

Phs=ρωg(d1-z)

(3)

式中：ρω为海水密度，ρω=1.025 t/m3；g为重力加速度，g=9.8 m/s2；d1为计算工况下的吃水，d1=1.5 m；z为计算点至基线的垂向距离，m。

舷侧水线处的海水动压力Pw1应按式(4)计算：

Pw1=fr(2B0.66+3CCb+0.4d1)

(4)

式中：fr为航区系数，fr=0.8。

船底边缘处(舭部)的海水动压力PBS应按式(5)计算：

PBS=Pw1-1.2d1

(5)

船底中纵剖面处的海水动压力PBC应按式(6)计算：

PBC=0.5(Pw1-1.2d1)

(6)

水线面以下任意点的海水动压力Phd应按式(7)计算：

Phd=Pw1+(PBS-Pw1)(1-z/d1)+(PBC-

PBS)(1-2y/B)

(7)

式中：y为计算点距中纵剖面的距离，m。

水线面以上舷侧外板上任意点的海水动压力Phd应按式(8)计算：

Phd=Pw1-10(z-d1)

(8)

露天甲板的上浪载荷Pwdk应按式(9)计算，且不小于零：

Pwdk=Pw1-10(zdk-d1)

(9)

式中：zdk为露天甲板至基线的垂向距离，zdk=3 m。

根据以上公式，本文模型中以创建场的形式来加载海水静压力Phs=10 045(-1.5-z)；

水线面以下任意点的海水动压力

Phd=12 708+1 200(3+z)+1 694.267y

(左舷)；

Phd-y=12 708+1 200(3+z)+1 694.267(-y)

(右舷)；

水线面以上舷侧外板上任意点的海水动压力Phd=12 215-10 000z；

露天甲板的上浪载荷Pwdk=12 215 N。

根据稳性计算书中的满载工况下的燃油压载和水压载的计算如下：

① 燃油舱压载为：-8 330(2.818-(3+z-0.8))；

②压载水舱1水压载：-9 800(3.06-(3+z))；

③压载水舱2水压载：-9 800(3.05-(3+z))；

④压载水舱3水压载：-9 800(1.848-(3+z))。

满载工况下稳性计算中的重量重心表见表1。

表1　重量重心表

(2)根据“规范2”第1篇14.3.4的规定，本船可假定处于A级航区，则舷外水压力分布函数按照“等效设计波”的概念进行加载分析，取波长为船长，波浪分布为余弦波。本文考虑波长沿船长方向时的中拱波浪。

波高按照式(10)计算：

he=αw(29 593-120.89L+0.223 21L2)×10-4

(10)

式中：αw为航区波高修正系数，取A级航区，αw=10。

经计算，he=2.136 m。

近似取余弦波公式为：

(11)

式中：ξ为波高值，m；he为波高，m；x为计算点距离船中的距离，m。

其他燃油压载和水压载方法同上。

在有限元模型中，船体结构重量通过对材料施加密度并对整个模型施加重力载荷的方法施加到计算模型中。舷外水压力、压载水和燃油压载，分别以面压力载荷的形式施加于相应的舱室结构和外板有限元单元上。

4结果分析

全船采用普通钢，其材料屈服强度为235 MPa，许用正应力取235 MPa，剪切应力取94 MPa。本文中采用的2种舷外水压力的加载方法得到的全船应力大小值均满足规范许用值要求。根据“规范1”的要求所得板单元最大应力值为119 MPa，根据“规范2”所得最大应力值为130 MPa；“规范1”要求所得全船骨材的最大值为112 MPa，“规范2”所得值为164 MPa，两值相差较小。2种加载方法得到的全船应力分布如图3～图10所示。

图3　“规范1”所得全船板材最大应力值

图4　“规范2”所得全船板材最大应力值

图5　“规范1”所得全船板材剪切应力值

图6　“规范2”所得全船板材剪切应力值

图7　“规范1”所得全船骨材最大应力值

图8　“规范2”所得全船骨材最大应力值

图9　“规范1”所得全船骨材剪切应力值

图10　“规范2”所得全船骨材剪切应力值

全船各结构构件的最大相当应力σe和剪切应力τ汇总见表2。

表2　构件许用应力及其计算结果

5结论

(1)80 m趸船的全船结构强度满足规范要求。2种方法计算所得应力最大值均分布在甲板开口处，基本上由应力集中造成的应力值偏大。

(2)本文根据《国内航行海船建造规范》和《钢质内河船建造规范》中规定的2种舷外压载水公式进行加载，通过有限元分析得到的应力结果相近，表明采用以上方法能够有效分析全船结构强度。

(3)本文趸船估算的剖面模数和惯性矩不满足规范要求，但采用本文有限元分析方法得到的全船结构强度是足够的，所以在今后实际设计过程中遇到船型尺度比超出规范要求时，可以借鉴本文的有限元分析方法来验证全船结构强度。

参考文献：

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

[2]罗秋明.超大型矿砂船全船结构强度计算及内部货物载荷分布研究[D].上海：上海交通大学,2010.

[3]吴恒林.内河集装箱船弯扭强度分析[J].中国水运，2014(31)：1-3.

[4]张少雄,杨永谦. 船体结构强度直接计算中惯性释放的应用[J].中国舰船研究，2006(1)：58-61.

[5]张少雄,杨永谦.惯性释放在油船结构强度直接计算中的应用[J].船海工程,2004,33(4):4-6.

中图分类号：U661.43

文献标志码：A

作者简介：谭慧娟(1988—)，女，助理工程师，主要从事船舶结构设计工作；宋健(1976—)，男，高级工程师，主要从事船舶结构设计工作；丁宇翔(1987—)，男，工程师，主要从事土木工程结构设计工作。

收稿日期：2015-08-09