多用途船长货舱直接强度分析

刘 辉，姜海宁，纪宏源，冯 可

（中远海运重工有限公司 技术研发中心，辽宁大连 116600）

0 引言

本项目是航行于无限航区的50 000 DWT多用途船。本项目为全焊接、钢质的单甲板、双层壳、双层底船，首、尾分别为直首、方尾，货舱区域设有横舱壁、工作通道、舷侧和底压载舱。船体在货舱区域底部和舷侧的结构形式为纵骨架式，舱壁的结构形式是横骨架式[1]。

本项目的主尺度及主要参数如下：总长LOA：189.5 m；垂线间长LBP：186 m；型宽B：32.26 m；型深D：18.3 m；设主吃水dd：11 m；结构吃水ds：12.5 m；方形系数Cb：0.81；肋距：0.795 m；目标舱（长货舱）尺寸（长×宽×高）：55.65 m×27.26 m ×16.67 m。本项目入级CCS，计算船长L取97%水线长，为183.815 m。

为保证船舶航行安全、结构安全，在规范计算的基础上，需要进行货舱舱段的直接强度计算：依据设计图纸进行三维有限元建模；按照 CCS《双舷侧散货船结构强度直接计算指南》（以下简称《指南》）进行边界条件施加；按照CCS《钢质海船入级规范》（以下简称《规范》）计算波浪载荷，以及按照装载手册取静水弯矩；按照装载手册提供的工况计算货舱及舱盖上的压力及压载舱的静水压力[2]。

本项目不考虑货舱内装载集装箱工况，校核目标舱为长货舱。

1 货舱段有限元模型

1.1 模型范围

本项目所使用的有限元模型由NAPASteel软件创建，为全宽模型，模型长度从机舱前舱壁到防撞舱壁，模型舱长与真实长度一致。对于所有的板采用三节点和四节点壳单元建模，对于型材采用二节点单元建模，没有建立肘板、穿越孔、小的管子开孔等。如图1所示。

有限元网格沿着纵向按肋骨间距划分，沿着横向按纵骨间距划分，沿着垂向按骨材间距划分，单元尽量保证正方形或矩形，部分结构空间采用三角形单元。

图1 全尺寸有限元模型

1.2 边界条件

根据《指南》的规定，本项目需要计算总体载荷工况与局部载荷工况，其边界条件的施加不同，需分别满足表1和表2的边界条件。边界条件示意图见图2。

表1 局部载荷工况

表2 总体载荷工况

图2 边界条件示意图

1.3 计算工况及载荷

考虑本项目具有长货舱的型式特点，《指南》中规定的工况无法涵盖本项目，因此按照装载手册的装载工况考虑，对危险的装载工况进行计算。本项目计算工况为：到港压载工况（工况04）、到港均布装载货物工况（工况06）、到港一般装载工况（舱盖装集装箱）（工况08）、到港钢卷装载工况（工况10）。

到港压载工况载荷为压载水注满工况，其载荷按照内部静水压强形式施加，单位为N/mm2。

到港均布装载货物工况载荷为货舱装满工况，计算载荷按照舱底均匀分布施加3 t/m3。

到港一般装载工况（舱盖装集装箱）载荷为货舱装满、舱盖装满集装箱工况，货舱计算载荷按照舱底均匀分布施加12 t/m2，舱口盖载荷采用MPC点将载荷传递到舱口围腹板上。

到港钢卷装载工况载荷为货舱装满钢卷，计算载荷按照舱底均匀分布施加20吨/个，D=1.6 m，L=1.6 m，2tiers。

外板静载荷按照《规范》要求外部海水静压力Phs进行施加，单位为N/mm2。

外板动载荷按照《规范》要求水线以下任一点的海水动压力Phd进行施加，单位为N/mm2。

2 计算结果

按照散货船装载考虑，长货舱各部分主要结构综合应力的许用值和计算值、剪切应力的许用值和计算值如表3所示，应力分布图如图3和图4所示。

表3 各主要构件上的单元应力

图3 综合应力计算结果

3 结论

本项目对50 000 DWT多用途船的长货舱进行结构强度直接计算，计算结果表明：

图4 剪切应力计算结果

1）按照装载散货船考虑时，考虑装载手册中所列的工况，本项目的强度计算满足要求。

2）舱口角隅是大开口船舶的特别关注的热点，通常有效的正/负角隅设计以及有限元模型的细化分析可以有效避免高应力的出现。

3）在实际的货物装载时，除了按照装载手册调整压载水外，还要考虑货物与压载水对长货舱的扭转影响，尽量减小横舱壁附近的剪切应力。