浅析总纵弯曲对舷墙强度的影响

卢润泽 必维船级社（中国）有限公司

在对常规船型的舷墙进行设计或强度校核的过程中，由于舷墙往往布置在船舶艏艉且连续长度较短，因此通常认为舷墙受船体梁总纵弯曲的影响较小，各船级社的规范公式也没有考虑船体梁应力的影响。但是对于某些特殊船型，例如科考船或辅助用途船，舷墙有时会设计在船舶中段，且有一定的连续长度，此时会有设计人员提出疑问，是否需要在一定程度上考虑船体梁应力对舷墙强度的影响，进而在规范要求厚度的基础上适当加厚。

针对这种特殊情况，本文以某科考船型为算例，使用有限元方法进行计算，对结果进行屈服及屈曲强度的评估，并与规范现有要求进行对比，为日后的设计及校核工作提供一定的实例依据。

1.有限元模型

1.1 船舶简介

本文选取国外某科考船型作为算例，该船型0.5L之前为上层建筑，舷墙存在于艉部至上层建筑之间，主要参数见表1。

表1 船舶主要参数

1.2 有限元模型建立

1.2.1 建模方法与原则

本次计算使用Fe map 作为有限元建模及后处理软件，MSC.Nastran作为解算器，对船舶中体舱段进行有限元计算分析。

根据结构特点，采用了板单元、梁单元的适当组合。其中，板单元主要用于模拟甲板板、底板、舱壁板等结构；梁单元主要用于模拟纵骨、舱壁垂直和水平扶强材等构件，并考虑偏心的影响。

1.2.2 模型优化

首先，由于本次分析主要目标为舷墙，因此主船体部分模型仅以中横剖面为基础建立，并保证了主要纵横舱壁对于主船体的有效刚性支撑，并未对过多的小舱室进行建模。

其次，为了能得到比较理想的计算结果，在建立舷墙模型时忽略了一些功能性开孔，如导缆孔或舷墙门等结构。具体模型见图1。

图1 完整模型

1.2.3 对比模型

另外，为了研究舷墙对于船体梁强度的贡献，将完整模型中的舷墙结构删除后再次计算进行对比，工况只按照完整模型中的中拱工况进行分析，边界条件与加载方式则与完整模型保持一致。

2.载荷选取

2.1 强度计算工况

本次计算仅通过施加总纵弯矩来分析船体梁应力在舷墙中的传递分布，不考虑局部载荷对于船体结构的影响，其中静水弯矩为装载手册中的包络值，波浪弯矩则按照规范[1]公式计算得到，见表2。

表2 船体梁弯矩

2.2 边界条件

将目标舱段向前后各延伸两个强框架，缓冲边条条件对目标分析区域的影响，将模型一端刚固，另一端各构件所有自由度通过MPC相关到独立节点，并将船体梁弯矩施加到该独立节点。

图3 中垂总纵应力云图-完整模型

图4 中拱总纵应力云图-无舷墙模型

3.结构强度分析

分析得到的应力分布如图2-4所示，其中右舷应力云图为x向中面应力，等同于船体梁应力。

图2 中拱总纵应力云图-完整模型

根据BV规范，该船舷墙要求的最小厚度为6mm，设计厚度为8mm。按照规范对舷墙板格分别进行屈服屈曲评估，并将评估结果分别于上述值进行对比。计算过程中局部海水压力按照规范公式计算，船体梁应力则从有限元分析结果中读取。

3.1 屈服强度评估

考虑屈服影响的板厚计算公式为：

式中：

ps——海水静载，0kN/m2；

pw——海水动载，7.1kN/m2；

τ1——船体梁剪应力，0N/mm2；

σx1——船体梁正应力，68.3N/mm2；

其余参数见规范定义。

计算得到的要求板厚为3.19mm，结果远小于规范要求最小板厚，评估结果安全。

3.2 屈曲强度评估

屈曲评估采用仅双边受压受弯的屈曲模型，仅读取中垂工况下的船体梁应力进行屈曲分析。

考虑屈曲影响的板厚计算公式为：

式中：

σb——船体梁压应力，54.39N/mm2；

σE——欧拉屈曲应力，63.72N/mm2；

其他参数见规范定义。

计算得到的要求板厚为7.85mm，已经超过规范要求最小板厚，但是仍小于设计板厚，评估结果安全。

4.结论

首先，通过观察应力分布可以看出，舷墙的中段区域应力大小已经与舷顶列板处几乎一致。尽管排水舷口设置较为密集，但是由于舷墙的横向支撑肘板被主船体强框架有效支撑，受主船体整体变形的影响比较显著，迫使舷墙参与总纵弯曲。

其次，经过对比计算结果可以看出，船体梁应力对于舷墙的屈服安全性影响不大，但是在屈曲安全性方面，板厚要求值已经超过规范要求的最小厚度且十分临近设计值。因此，当船型尺寸继续增大时，应当增加相应的屈曲计算来考虑总纵弯曲对于舷墙的影响，或者在设计过程中增加舷墙门或者栏杆之类的设置来打断舷墙的连续性，降低舷墙参与总纵弯曲的百分比。

值得注意的是，对比完整模型与无舷墙模型的计算结果，发现舷顶列板处的船体梁应力变化不大，可以看出尽管舷墙参与了总纵弯曲，但对船体梁强度的贡献不大。因此，在日后的设计过程中，针对这种特殊船型，可以从常规的无舷墙模型中先读取舷顶列板处的船体梁应力，用来对舷墙进行试算分析，通过试算结果来大致评判是否需要对舷墙作进一步的有限元分析。