1000t级渔业辅助船集装箱基座及支撑结构强度分析

周林 黄涣青

摘    要：本文对1000吨级渔业辅助船，应用有限元方法对其甲板上集装箱基座及其支撑结构强度进行分析，建立了包括集装箱基座、主甲板、舷侧、舱壁、支柱及其附属结构的有限元模型。依据规范计算各工况下集装箱受力，并将集装箱支反力加载到模型上，根据得到的应力水平对结构形式进行优化。

关键词：渔业辅助船;集装箱基座;支撑结构;有限元方法

中图分类号：U663.7                               文献标识码：A

Abstract： This paper s analyses the strength of container foundation and supporting structure on the deck of a 1000-ton fishery auxiliary vessel by finite element method. The finite element model of container foundation， main deck， side， bulkhead， pillar and its subsidiary structure is established. The loads on the container under each working condition are calculated according to the relevant rules， and the reaction force of the container under each working condition is loaded onto the model， and the structure was optimized according to the stress level obtained.

Key words： Fishery auxiliary vessel; Container Foundation; Supporting structure; Finite element method

1    引言

漁业辅助船主要用于渔船远洋作业时的物质补给，并将渔船捕捞所得鱼货通过捕捞辅助船甲板上的冷藏集装箱转运，提高渔船的捕捞效率;同时小型渔船在海上开展密集型的捕渔作业时，需要燃料、淡水、食品等补给也要依托渔业辅助船。

该船主甲板上设置一层20呎标准集装箱和冷藏集装箱，为保证集装箱基座及其甲板下支撑结构的强度，采用有限元方法对集装箱基座及其甲板下支撑结构进行强度校核，并根据计算结果和变形特点对其结构形式进行优化，对今后类似船的加强结构设计具有一定的参考价值。

2   本船概述

本船主要尺度：

本船满载时在主甲板上装载11个20 ft集装箱，每个集装箱重量按15 t计，集装箱布置见图1。

集装箱结构基座设置在船体横向强框架上，并在纵向骨架上设置肘板对基座进行支撑，集装箱与结构基座采用45°燕尾槽式转锁连接（见图2）。

3   有限元模型

本船有限元模型采用局部立体结构模型：模型范围为长度方向从#36～#90、宽度方向从右舷舷侧至左舷舷侧、高度方向从甲板面集装箱基座顶部至双层底。

模型采用2节点梁单元模拟横梁、肋骨、支柱以及强横梁、纵桁、水平桁、垂直桁的面板和肘板的面板，共12 248个梁单元;采用板单元模拟甲板板、舱壁板、舷侧板以及强横梁、强肋骨、纵桁、水平桁、垂直桁的腹板和肘板的腹板，共55 861个板单元;节点共55528个。有限元模型见图3。

模型网格大小约为150 mmx150 mm，在集装箱与基座连接处采用MPC刚性连接。

船体材料为船用普通钢：弹性模量E=2.06×1011 N/m2、泊松比0.3、密度7 850 kg/m3、屈服强度为235 MPa。

4   边界条件及载荷工况

4.1  边界条件

将模型#36和#90横截面以及舱壁和支柱与内底板连接处边界刚性约束。

4.2  设计工况

由于甲板上集装箱布置相对船体左右舷不完全对称，考虑到集装箱载荷纵向分力和横向分力的方向性以及垂向分力中最大箱角压力和最小箱角压力的变换，本次计算共考虑四种计算工况，如表1所示。

4.3  集装箱支反力

集装箱的支反力根据集装箱在船舶运动和风压等状态下的受力计算得出，根据《规范》对集装箱受力及系固设备的要求，需要考虑船舶运动对集装箱的影响。

4.3.1 船舶运动加速度计算

（1）横摇周期计算：

式中：Kr为横摇转动半径，m;GM为满载出港时初稳性高度，m。

（2）最大横摇角φm计算（取不大于0.523rad）：

式中：B为船宽，m;fr为航区系数;k为系数。

（3）纵摇周期TP计算：

式中：L为船长，m。

（4）最大纵摇角Ψm计算（但不大于0.14rad）：

式中：Cb为方形系数;CV=L0.5/50（取不大于0.2）;V为最大服务航速，kn。

（5） 纵荡加速度ax计算：

（6）横荡加速度计算：

式中：a0--加速度系数。

（7） 升沉加速度az计算：

（8） 横摇角加速度ar计算：

（9） 纵摇角加速度ap计算：

（10） 横向合成加速度at计算：

式中：kX为纵向分布系数。

x为计算点至尾垂线的纵向距离，m。

横向合成加速度at还应不小于按下式计算所得：

式中：z为计算点至基线的垂向距离，m;zrp为横摇转动轴和纵摇转动轴到基线的垂直距离，取zrp1= D/4+d1/2和zrp2= D/2之小者，m;

d1为计算工况下的吃水，m。

（11）纵向合成加速度al计算（不小于1.5 m/s2）：

（12）垂向合成加速度av计算（取大值）：

式中：y为计算点至中纵剖面的横向距离，m。

4.3.2 集装箱受力计算

（1）平行于甲板的横向分力计算：

式中：G为集装箱重量，t;q为风压，（对舷旁外侧的集装箱q=1.0 kPa;对底层的集装箱还需考虑1.0 kPa的飞溅力）。

（2）垂直于甲板的垂向分力Fz计算：

（3）平行于甲板的纵向分力Fx计算：

4.3.3  集装箱上的力的分配与组合

（1）横向分力Fy

Fy由箱的前后端壁传递到支撑点x。对第i只集装箱的每个端壁传递的横向力Hi为：

（2）垂向分力Fz

Fz由箱的4个底角传递到座点的支撑结构上。对第i只集装箱的每只底角处的垂向分力Vi为：

（3）纵向分力Fx

Fx由箱的左右纵壁传递到支撑点x。对第i只集装箱的每道纵壁传递的纵向分力Li为：

（4）一层集装箱端壁上的力（见表2）

（5）一层集装箱纵壁上的力（见表3）

4.3.4  集装箱支反力

根据上述计算得到本船集装箱上力的分配与组合（见表4-表7），折算成支反力加载到集装箱基座上。

4.4  其他载荷

4.4.1 甲板载荷

根据《规范》要求，在模型上施加甲板设计载荷P：

式中：h为计算压头，m;γ为装载率，取γ=1.39 m3/t。

4.4.2 重力加速度

在模型上施加重力加速度。

5   许用衡准

根据《规范》各种工况下绑扎桥、固定式货物系固设备的支撑结构的许用应力，如表8所示。

6   计算应力及变形汇总

各种工况下，各评估区域的最大应力和变形计算结果如见表9、表10和图4～图7所示。

7   甲板下支柱校核

根据有限元分析的结果，在工况4时支柱的轴向压应力最大，达到87.1 MPa。                （下轉第页）（上接第页）

支柱的规格为φ146x8，支柱剖面积为34.7 cm2，由此求得支柱承受的最大轴向力为302.24 kN。

根据《规范》要求，支柱的剖面积A应不小于计算之值：

式中：P为支柱载荷，kN;l为支柱有效长度（取支柱全长的0.8倍），m;r为支柱剖面的最小惯性半径，cm;K为材料系数（取不小于0.72）。

所选支柱规格为φ146x8，剖面积为34.7 cm2，大于计算所得最小剖面积32.95 cm2;且壁厚大于计算所得7.63 mm，满足要求。

8   结论与展望

本文利用MSC Patran/Nastran软件建立集装箱基座及甲板下加强结构模型。该软件可以较好地模拟集装箱基座及其加强结构在各个工况下的应力响应。在本次分析过程中，不断对支撑结构进行优化，最终结果满足规范要求，并得出以下结论：

（1）在集装箱基座四个角点处的甲板下，需设置较强的纵向和横向强框架来支撑集装箱基座;

（2）在计算集装箱支反力时，要考虑船舶运动、风压等对集装箱的影响;

（3）根据计算结果表明，应力较大的区域为基座面板及中部支柱顶部区域，在结构设计时应通过肘板来进行加强。

参考文献

[1] 黄聪， 刘兵山. Patran从入门到精通[M]. 中国水利水电出版社， 2003.

[2] 中国船级社. 国内航行海船建造规范（2015）[S].人民交通出版社，  2015.

[3] 陈小剑. 船舶货物布置与系固[M]. 上海交通大学出版社， 2001.