114000DWT油船舱段结构强度直接分析

陈彬+徐庆阳+许允

（1.华南理工大学，广州510640；2.中国船级社广州分社，广州510235）

摘 要：本文根据《双壳油船共同结构规范》（2012）要求，利用Patran软件对114 000 DWT油船建立舱段结构有限元模型，采用直接计算方法校核该船的屈服强度。按照规范要求，对典型强框架与横舱壁附近关键部位进行细化网格建模，并对其进行详细应力评估。

关键词：共同结构规范；直接计算；屈服强度；细化网格建模；详细应力评估

中图分类号：U661.43 文献标识码：A

1 引言

双壳油船共同结构规范（Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers，下文均简称CSR _OT规范）是国际船级社协会（IACS）自成立以来第一次系统制定的单一类型船舶规范。CSR_OT于2006年4月1日正式生效，该规范的生效大大提高了油船的安全性，同时也延长了油船的服务和疲劳寿命。

随着CSR_OT规范的生效，基于CSR_OT设计的双壳油船逐渐成为国际油船市场的主流。在过去几年，IACS对共同规范的研究从未间断过，协会分别于2008年、2010年及2012年发行新版本的CSR_OT规范。

散货船与油船存在着许多的共性，而IACS针对两种船型制定的共同规范却不协调，两本规范使用着不同的方法和标准，在业界引起不小的争议。因此，IACS于2008年开始研究油船及散货船的共同规范，并于2015年1月发布了油船及散货船协调共同规范（HCSR）。

本文计算项目建造合同生效时间为2014年，计算参考《双壳油船共同结构规范》（2012）。

2 结构特点

114 000 DWT油船为钢质焊接结构，航行于无限航区。该船货油舱区结构形式为单甲板、双底、双舷侧的纵骨架式结构，设底边舱、无顶边舱，每隔5档肋位设置一个强框架结构，在FR72、FR107、FR142、FR177、FR212、FR242、FR277处设7道油密平面横舱壁，连同中纵平面舱壁一起将本船货舱区分为12个货油舱。

该船的主要参数如下：

总长～250 m；两柱间长245.4 m；型宽44 m；型深21.5 m；结构吃水15 m；方形系数0.816；

航速～15.7 kn；载重量～114 000 DWT。

3 结构有限元模型

为保证船舶结构的安全，依据CSR_OT规范要求，除需对船体结构进行规范校核外，还需对油船货舱区舱段进行直接强度分析，包括货舱舱段屈服强度校核、屈曲强度校核、局部细化网格有限元分析以及精细网格有限元疲劳分析。受篇幅所限，本文仅对货舱舱段屈服强度进行校核，并对局部结构进行细化网格有限元分析。

3.1 结构模型

在有限元分析中，所有结构尺寸均取实际尺寸，同时参照规范扣除腐蚀余量。货舱舱段有限元模型范围包括第三货舱区+第四货舱区+第五货舱区，具体从FR107到FR212。总体坐标系取右手直角坐标系，原点取在规范坐标系原点处，X轴沿船长向首为正方向，Y轴沿船宽向左舷为正方向，Z沿型深向上为正方向。模型包括了上述范围内的外板、甲板板、内底板、内壳板、中纵舱壁、横舱壁、舱壁水平桁材、舱壁垂直桁材、船底纵桁、横向强框架、实肋板及上述结构上的桁材和扶强材。

有限元模型网格，沿船体纵向按肋距划分，沿船体横向和垂向按纵骨间距划分。船体的板构件、强框架、桁材的高腹板用四节点板壳单元模拟，尽量少采用三角形单元；扶强材和桁材面板用梁单元模拟，并考虑各构件的实际截面和偏心。结构剖面不规则处采用适当方式进行简化。舱段有限元模型如图1所示。

3.2 材料特性

本船货舱区结构由普通钢和高强度钢组成，其中横舱壁、舷侧板外板与强框架主要为普通钢，其他区域主要采用高强度钢。计算中钢材的材料物理特性参数：

杨氏模量 E=2.06 x 105 N/mm2

泊松比 v=0.3

密度 ρ=7.85 x 109 t/mm3

3.3 边界条件及工况定义

（1）边界条件

根据CSR_OT规范，按照表1施加边界条件。其中边界条件弹簧单元刚度根据后述弹簧单元刚度计算公式求得。

其中：—：不施加约束（自由）；

相关：所有纵向单元节点与中心线中和轴处的独立点刚性连接。

边界条件弹簧单元刚度c，按下式计算：

（1）

式中：As-net50—单独构件的剪切面积，即甲板、内底板、外底板、舷侧板、内壳纵舱壁或者油密纵舱壁。As-net50应基于舱段有限元模型的建模厚度对规范表B.2.10所示构件部位进行计算，mm2；

υ—材料泊松比；

ltk—舱段有限元模型中部舱的横舱壁之间的长度，mm；

E—材料弹性模量，N/mm2；

n—构件上施加彈簧单元的节点数目。

（2）工况定义

本船为一道油密纵舱壁的油船，工况定义考虑静载荷与动载荷的联合作用，本文根据CSR_OT规范要求，按其中的标准设计载荷组合计算。对于S+D（即静载荷+动载荷）设计载荷组合（航行工况），每种装载模式应采用规定校核，每一个S+D设计载荷组合包括两部分：

静载荷：由装载模式确定的吃水、船体梁静水弯矩和静水剪力；

动载荷：由动载荷工况确定，动载荷组合工况详见CSR_OT第7节表7.6.4与表7.6.5。

4 许用应力和应力结果

4.1 许用应力衡准

见表2。

根据CSR_OT规范第9节《验收衡准》中许用应力的规定，考察有限元分析中得到的Von Mise相当应力。

表中： ，通常对板单元； （2）

式中：σvm——基于单元形心处的膜应力得到的von Mises应力，N/mm2；

σyd——规定的材料屈服应力，N/mm2。

本船采用普通碳素钢和部分高强度钢（AH32与AH36）。

普通碳素钢材料屈服应力[σ]=235 N/mm2；

AH32高强度钢材料屈服应力[σ]=315 N/mm2；

AH36高强度钢材料屈服应力[σ]=355 N/mm2。

4.2 应力结果

（1）屈服应力比值结果汇总

见表3。

由表3可知，该舱段模型主要构件的屈服强度均满足CSR_OT规范衡准，结构符合安全性要求。

经校核，该舱段结构屈服强度最危险处位于外底板上。

（2）屈服应力云图

部分主要构件屈服应力云图如图2～图3所示。

5 细化网格建模与结构强度分析

当粗网格不能准确地模拟出结构细节，或粗网格屈服应力计算结果超过验收衡准时，则应采用细化网格进行分析。本节按照CSR_OT规范的要求对油船舱段关键位置进行细化网格建模，分析对比50 mm×50 mm细网格与25 mm×25 mm细网格有限元计算结果，并按照规范制定的验收衡准进行详细应力评估。

5.1 细化网格建模

按照CSR_OT规范的要求对本船中部货油舱区域的下述部位进行细化网格建模：

（1）位于中间舱典型强框架关键部位的大肘板趾部和开孔、底边舱上折角。

（2）邻近横舱壁的典型强框架位于水平桁附近的关键部位的大肘板趾部及开孔。

（3）水平桁材关键部位的大肘板趾部、根部及开口。横舱壁与双层底桁材相交处、典型横舱壁的支撑肘板。

（4）双层底和甲板的典型纵骨和相连的横舱壁垂直扶强材的端部肘板和相连的腹板加强筋。

50 mm×50 mm细化网格模型与25 mm×25 mm细化网格模型如图4～图6所示。

根据CSR_OT规范规定，细化网格分析可在一个包括细化网格区域的独立局部有限元模型进行，也可将细化网格区域并入舱段有限元模型中进行。本文细化网格分析采用第二种方法，将细化网格区域并入舱段有限元模型中进行。细化网格模型构件板厚折减、边界条件施加及计算工况定义按照CSR_OT规范执行。

5.2 细化网格有限元结构强度分析

（1）不同尺度网格模型计算结果对比

本文选取细网格模型B5-1工况计算结果与粗网格计算结果进行对比。

对比图7与图8、图9横舱壁水平桁趾端应力值可发现细网格模型应力最大值均比粗网格模型大。该船横舱壁水平桁趾端高度为15 mm，采用粗网格模型无法模拟该处的实际结构，因此需采用细化模型进行有限元计算。

CSR_OT规范对于细化网格屈服强度的验收衡准是基于50 mm×50 mm的网格大小规定的，对于尺寸更小的细化网格模型，应力计算结果应采用与50 mm×50 mm面积相当的单元平均应力进行校核。图10中横舱壁水平桁趾端最大应力值为336 MPa。根据规范要求，对25 mm×25 mm模型计算结果进行面积相当的单元平均应力换算，与50 mm×50 mm相当面积上的单元平均应力最大值为304 MPa，而图8中横舱壁水平趾端最大应力值为328 MPa，相对误差为7.3%。

图10 25 mm×25 mm网格模型相当单元平均应力计算结果

对比细化模型计算结果发现，25 mm×25 mm细化网格模型屈服应力计算结果比50 mm×50 mm细化模型大，但其与50 mm×50 mm相当面积上的单元平均应力结果与50 mm×50 mm细化模型屈服应力结果接近。因此，当50 mm×50 mm细化网格能模拟出细部实际结构时，可采用该尺寸的有限元模型进行细化分析。当采用50 mm×50 mm细化网格仍不能模拟出细部实际结构时，则需采用网格尺寸更小的模型进行模拟分析。

（2）细化模型屈服利用因子汇总

本文采用JTP_DSA软件对舱段细化网格结构进行屈服强度分析。其中，屈服因子=结构相当应力/许用相当应力。具体计算结果及评估结果如表4所示。

由表4可知，该舱段模型细化网格关键部位的屈服强度均满足CSR_OT规范衡准，结构符合安全性要求。上述关键部位中横舱壁水平桁开孔处、横舱壁水平桁大肘板趾部处细网格分析屈服因子较大。

（3）细化区域屈服应力云图

有限元细化区域部分关键部位屈服应力云图如图11～图13所示。

6 结语

本文根据CSR_OT规范对114 000DWT油船的舱段结构进行直接计算分析，经计算分析得出以下结论。

（1）本船舱段结构主要构件屈服强度以及关键位置细化网格屈服强度均满足规范要求。

（2）横舱壁水平桁开孔及大肘板趾部细网格屈服因子较大，在船舶营运期间，应留意观察上述构件的高应力位置，以确保结构的安全。

（3）本文所进行的油船舱段结构直接计算分析中，细化网格有限元分析工作量最大。在细化网格模型中进行结构加强需要耗费较多的时间，建议在进行粗网格有限元分析时，提前考虑关键位置处的结构加强，尽量避免后期细化分析不满足带来的结构修改。

（4）在细化网格详细应力评估中，当50 mm×50 mm细化网格能模拟出细部實际结构时，可采用该尺寸的有限元模型进行细化分析，无需建立网格尺寸更小的细网格模型进行模拟。

参考文献

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