48800 吨化学品/成品油船机舱部分舱室强度试验的有限元分析

蓝 冬 林小玲 李 文

（广船国际技术中心）

0 前言

根据南沙厂区码头资源紧的生产资源特点，需优化建造工艺工法，提高建造效率。在船坞阶段对船体进行结构试验，将码头的部分工作前移到船台阶段完成，可缩短在建船舶的码头周期。

除货油舱和较大压载舱以外的小舱室，如机舱大量的小油柜结构强度校核时可在计算机仿真软件系统中按照强度试验大纲要求打满并根据船舶在船台、平台线上的坐墩布置的情况确定支撑情况下进行船体结构的局部强度分析，筛选满足强度要求的小油柜，并最终在船舶密性试验图上注明哪些舱室可以在船坞/平台线阶段进行结构试验，哪些舱室只能码头阶段进行结构试验。

1 有限元分析过程

1.1 图纸资料收集

总布置图、机舱布置图、结构图、密性试验图、舱容表、全船重量分布曲线、布墩图等，见图1（部分展示）。

1.2 整理分析收集的资料

通过对收集的资料进行分析，剔除艏部和舯部不适合在船坞/平台线阶段进行结构强度试验的舱室，见表1。

将整理出来的11 个舱室分为11 个工况组合，分别进行有限元计算，每个舱室的结构强度试验均单独加载。

1.3 有限元模型建立

1.3.1 模型概述

根据详细设计图纸进行有限元建模，为了模拟强度试验时对应船坞内建造时的不同状态，分为艉半船（艉-FR147）和整船两个模型进行计算。

有限元的模型范围：整船,坐标系原点位于船体中纵剖面基线的FR0 处；

纵向：X 方向从船艉指向船艏方向；横向：Y方向从船右舷指向左舷方向；垂向：Z 方向从船底竖直指向顶层甲板；

图1 总布置图

表1 试验舱室和工况

表2 各舱室结构最大压头

模型单位：长度mm、力N。

结构由钢组成，计算中取材料的物理特性参数如下：

杨氏模量E=2.06X105N/mm2

泊松比μ=0.3

密度ρ=7.85X10-6kg/mm2

有限元模型见图2、图3。

图2 整船有限元模型

图3 艉半船有限元模型

1.3.2 有限元模型重量重心

本船的空船重量11000 吨，重心X=79 米，结构重量约8000 吨，重心X=87 米。主船体除结构以外的舾装重量按肋位平均分摊。

最终的全船模型重量11000 吨，重心X=79 米，Y=0.01 米，模型重量分布及重心位置（不考虑Z值）基本上与实船情况吻合。模型重量重心情况见图4 和图5。

图4 有限元模型全船重量分布曲线

图5 有限元模型重量重心表

图6 整船有限元模型坞墩边界

1.3.3 边界条件

船坞混凝土结构的垂向刚度相对船体大，而且坞墩和坞底间也不存在相对运动，可在每个坞墩的下表面设置边界条件，并约束其移动和转动。模型边界条件见图6 和图7。

图7 半船有限元模型坞墩边界

图8 一号左燃油舱

图9 锅炉水舱

1.3.4 有限元模型的载荷

机舱及艉部舱容较大或重心距中心线较远的油水柜主要有：1 号燃油舱、2 号燃油舱、MGO 舱、机舱污水储存舱、油渣舱、淡水舱（左/右）、锅炉水舱、饮用水舱。其它小液舱舱容很小且大部分都布置在双层底内，结构试验时使用的水的重量相对整船/半船来说较小且其产生的横倾力矩也很小，不会对结构强度有较大影响，因此不需进行分析。

在码头试验时，结构试验用水的重力载荷与海水浮力相平衡，海水压力分布在整个浸水外板上，浮力与重力间的路径较短；但在船坞时，重力载荷与船底坞墩的支撑力相平衡，坞墩支撑力集中在很小的船底外板范围内，且支反力与重力间路径较远，对载荷传递路径上的结构而言是显著不利的，这些结构的强度是本文重点评估对象之一。在码头试验时，随着油水柜装载量的增加，船舶会依靠增加吃水来平衡，但在坞内时，油水柜装载量的增加会导致船底坞墩载荷增加，而坞墩的许用载荷是固定的，因此坞墩是否满足要求是本文的另一重点评估对象。

根据表1 设定的工况来进行结构试验，模型仅受重力作用，各舱的油水通过场函数定义的压力施加到各舱的水密舱壁，模型舱容与实际舱容的差值忽略不计，舱室压头为舱顶最高点以上2.4M 时，P2.4=(ZTOP+2400-Z 模)*9.8*10-6；舱室压头为上甲板以上0.76M 时，P0.76=(19060-Z 模)*9.8*10-6，具体见表2。

其中部分舱室载荷见图8 和图9。

1.3.5 计算衡准

载荷中选用了10m/s2 的重力加速度，坞墩的许用载荷限制为191 吨，预留约5%的余量。

板单元的应力计算结果包括单元各节点及参考点上的应力分量（ xσ， yσ，τ），Von Mises相当应力按下式计算：

其中A 级钢许用应力：[σ ]=235N/mm2、[τ ]=136.3N/mm2。

2 有限元计算结果

2.1 整船计算结果汇总

按坞墩布置进行计算，发现所有工况均不满足在坞内进行结构试验的要求，均有坞墩超出了限定的许用载荷，见表3。

2.2 坞墩修改

因为根据提供的布墩图计算后，拟定的工况不满足坐墩要求，因此增加坞墩见图10。

图10 坞墩修改

表3 有限元结果

表4 坞墩修改后整船结果

2.3 坞墩修改后计算结果汇总

按坞墩修改后的布置进行计算，只有LC3 和LC4 工况不满足在坞内进行结构试验的要求。

3 部分工况有限元计算结果云图

3.1 整船有限元结果

LC1 一号左燃油舱，见图11、图12。

3.2 半船有限元结果

LC1 一号左燃油舱，见图13、图14。

图11 LC1 坞墩载荷

图12 LC1 船体结构合成应力

图13 LC1 坞墩载荷

图14 LC1 船体结构合成应力

图15 Z 向正应力

图16 YZ 向剪应力

图17 屈曲计算表

3.3 屈曲计算

选取了整船模型FR49 和FR53（此处坞墩载荷较大，实肋板板格较大，并有人孔）在LC1 的实肋板板格按HCSR 表格进行屈曲计算，见图15、图16 和图17。

4 结束语

除了舱容较大的二号燃油舱和MGO 舱不能满足在坞内做结构试验的要求外，剩余的9 个油水舱柜均满足单独在坞内做结构试验的要求。不满足的主要原因是这两个舱的舱容大于其它油水舱柜，该区域船底的平底区域较小，且坞墩集中在船体中线附近，稳定性较差，而这些油水舱柜的重心Y 值较大，产生了较大的横向倾覆力矩。

对于同类型油船，机舱内部分油水柜同样有可能可以在坞内做结构试验，对于缩短在建船舶的码头周期可以起到积极的作用。