獨(dú)立式液貨艙瀝青船支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析

張延輝，張少雄，曾 濤

(1.上海宏航船舶技術(shù)有限公司，上海200032;2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢430063)

瀝青船按照裝載瀝青的貨艙的形式可以分為整體式和獨(dú)立式兩種。獨(dú)立式液貨艙以其在熱量損失少、腐蝕小、施工方便等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到瀝青運(yùn)營(yíng)商的青睞［1］。在獨(dú)立式液貨艙瀝青船中，艙底支撐墊塊的分布會(huì)直接影響到貨艙重量向船底的傳遞以及船舶航行時(shí)的運(yùn)動(dòng)對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響，但是由于目前的各主要船級(jí)社在規(guī)范上對(duì)這一特殊結(jié)構(gòu)形式的船舶沒(méi)有具體的規(guī)定，而按照傳統(tǒng)的平均受力計(jì)算的方法來(lái)確定墊塊數(shù)量及分布并不能準(zhǔn)確地得到各個(gè)位置的墊塊的受力情況。因此有必要采用有限元直接計(jì)算的方法來(lái)確定各位置墊塊的受力［2］。以一艘正在建造中的載重量為12 000 t石油瀝青船(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為本船)為例，說(shuō)明獨(dú)立式液貨艙瀝青船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。并介紹貨油艙區(qū)域船體結(jié)構(gòu)三維艙段建模特點(diǎn)、獨(dú)立液貨艙三維建模特點(diǎn)、支撐墊塊建模特點(diǎn)以及船體結(jié)構(gòu)通過(guò)墊塊支撐獨(dú)立液貨艙后溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析思路和方法。

1 船舶概況

1.1 用途

該船為一艘運(yùn)輸液態(tài)石油瀝青并兼裝閃點(diǎn)大于60℃重油的船舶。在液態(tài)石油瀝青運(yùn)輸過(guò)程中，維持溫度不超過(guò)200℃，液貨艙采用獨(dú)立式獨(dú)立艙形式，入級(jí)法國(guó)船級(jí)社。

1.2 主要參數(shù)

總長(zhǎng)/Loa146.0 m

垂線間長(zhǎng)Lpp137.2 m

型寬B 22.0 m

型深D 10.8 m

設(shè)計(jì)吃水dd7.8 m

結(jié)構(gòu)吃水ds7.9 m

載重量DWT ～12 000 t

液貨艙容積Vc～11 723.98 m3

2 貨油艙區(qū)域船體結(jié)構(gòu)

該船貨油艙區(qū)域船體結(jié)構(gòu)為單底、雙殼、單甲板(上甲板與凸型甲板);船舯泵艙區(qū)域?yàn)殡p層底、雙殼、二層甲板平臺(tái);從艏部至艉部有連續(xù)凸形甲板，四道水密橫艙壁將貨油艙區(qū)域分為4個(gè)貨艙和1個(gè)泵艙。每4檔肋位設(shè)置強(qiáng)框架(由實(shí)肋板、舷側(cè)隔板、甲板強(qiáng)橫梁組成)，在船艏底部平坦區(qū)域另設(shè)置中間肋板，在獨(dú)立液貨艙圍壁下方區(qū)域設(shè)置中間半肋板;在肋板面板上設(shè)置橫向防傾擋板和長(zhǎng)寬分別為200 mm×200 mm、350 mm×350 mm的支撐墊塊。

貨油艙區(qū)域設(shè)置4個(gè)獨(dú)立式液貨艙，每個(gè)獨(dú)立式液貨艙設(shè)置一個(gè)中縱艙壁將貨油艙分成左、右2個(gè)獨(dú)立的貨油艙，獨(dú)立液貨艙的艙底、側(cè)壁、艙頂和中縱艙壁均為縱骨架式。

獨(dú)立式液貨艙設(shè)置縱向制動(dòng)擋塊兼定位器，保證液貨艙準(zhǔn)確的縱向定位以及兩船相撞時(shí)制止液貨艙像前或向后移動(dòng)。在艙體底部和頂部分別設(shè)置橫向設(shè)置防傾制動(dòng)擋塊兼定位器，每個(gè)液貨艙設(shè)置一組制動(dòng)擋塊，以保證船舶在橫傾為30°時(shí)液貨艙的安全，在液貨艙頂部靠近舷側(cè)的部位設(shè)置防浮止推塊，凸形甲板的強(qiáng)度能承受貨艙區(qū)域破艙進(jìn)水時(shí)，液貨空艙浮力的作用。該船第三 貨艙區(qū)域的墊塊布置見(jiàn)圖1。

圖1 NO.3貨艙底部墊塊布置

3 ULEPSI貨艙墊塊

在獨(dú)立式液貨艙與單底之間設(shè)置墊塊，墊塊采用荷蘭BEELE公司的ULEPSI支撐墊塊，該墊塊能夠吸收由于貨艙同海水之間溫度不同所產(chǎn)生的熱量傳遞，能夠控制貨艙的溫度傳遞并支撐住上面貨物的重量，同樣能夠吸收由于船體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的應(yīng)力，墊塊的規(guī)格分為200 mm×200 mm和350 mm×350 mm，最大可以承受壓力分別為320 kN和980 kN。墊塊由墊塊底座和四層板塊組成，由下到上依次為18 mm厚的黑色合成橡膠、15 mm厚的棕色合成橡膠、12 mm厚的加強(qiáng)玻璃纖維塑料和15～30 mm厚的鋼板。根據(jù)船舶橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)，確定墊塊布置位置和規(guī)格。支撐墊塊的圍框型式見(jiàn)圖2～3。

圖2 支撐墊塊底座

圖3 支撐墊塊示意

4 有限元直接計(jì)算

根據(jù)該船資料建立1/2艙段+1艙段+1/2艙段形式的有限元模型，其中墊塊采用一維的rod單元進(jìn)行模擬。有限元模型見(jiàn)圖4～5。

圖4 三維有限元計(jì)算模型

圖5 船底部分有限元模型

按照法國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)船舶入級(jí)規(guī)范》(2007)中的相關(guān)規(guī)定施加載荷工況［3］。由于該船所裝載的貨物瀝青的粘度較大，因此獨(dú)立貨艙內(nèi)液貨的晃蕩產(chǎn)生的影響忽略不計(jì)。經(jīng)過(guò)三維有限元法計(jì)算，考慮到瀝青運(yùn)輸過(guò)程中的縱搖和橫搖，并釋放不合理的墊塊(即受拉應(yīng)力的墊塊)，得到各個(gè)墊塊的受力，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 墊塊受力圖(單位:kN)

5 結(jié)論

采用三維有限元直接計(jì)算方法，既考慮到船舶的各種航行工況，又考慮到船舶在惡劣海況下的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)(縱搖、橫搖等)對(duì)支撐墊塊的受力的影響，反復(fù)調(diào)整、釋放不合理的墊塊，從而得到每個(gè)墊塊的最大受力，依次確定墊塊的規(guī)格和布置。與傳統(tǒng)的“平均受力計(jì)算法”相比，再結(jié)合營(yíng)運(yùn)中瀝青船墊塊的破環(huán)形式和所處的位置，用三維有限元分析方法來(lái)確定墊塊的規(guī)格的布置是可行的、合理的，值得推廣。

［1］趙彩鳳.獨(dú)立液貨艙型式瀝青運(yùn)輸船設(shè)計(jì)特點(diǎn)［J］.船海工程，2006(3):26-28.

［2］張少雄.計(jì)及溫度應(yīng)力的不同艙壁形式瀝青船強(qiáng)度直接計(jì)算［J］.船海工程，2009(4):20-22.

［3］VERITASBUREAU.Rules for the classification of steel ships［S］.2007.