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      多用途船集裝箱裝載工況直接計(jì)算分析

      2014-10-30 08:13:16張潤(rùn)華潘忠兵陸陳康
      船舶與海洋工程 2014年3期
      關(guān)鍵詞:多用途貨艙邊界條件

      張潤(rùn)華,潘忠兵,陸陳康

      (中國(guó)船級(jí)社上海分社,上海 200135)

      0 引 言

      多用途船是一種能載運(yùn)雜貨、散貨及集裝箱等多種“不確定性”貨物的船型,具有載運(yùn)高效,使用簡(jiǎn)便的特點(diǎn)[1]。隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展,我國(guó)海上多用途船的需求不斷上升。根據(jù)多用途船的裝載特點(diǎn),進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析,保證船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全、可靠正越來(lái)越受到設(shè)計(jì)方、建造方和船級(jí)社的高度重視。

      考慮到中國(guó)船級(jí)社鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范(2012)[2]和2013年修改通報(bào)(以下簡(jiǎn)稱“鋼規(guī)”)中沒(méi)有明確給出多用途船直接計(jì)算的具體要求,又由于多用途船裝載貨物的多樣性,它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與一般專用運(yùn)輸船舶不同,特別是多用途船在裝載集裝箱時(shí)其局部支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與專用集裝箱船有區(qū)別(見(jiàn)圖1)。多用途船裝載集裝箱時(shí),一般在貨艙內(nèi)縱艙壁上安裝用于橫向固定集裝箱的裝置,集裝箱之間靠橫向雙錐連接,并在內(nèi)底板上設(shè)置埋入式底座,而集裝箱船在艙內(nèi)用箱格導(dǎo)軌架固定集裝箱(見(jiàn)圖2)。由于多用途船與集裝箱船在貨艙內(nèi)裝載集裝箱時(shí)的固定方式不同,因此在對(duì)多用途船裝載集裝箱工況進(jìn)行艙段直接計(jì)算分析時(shí),不能完全參照“鋼規(guī)”中關(guān)于集裝箱船直接計(jì)算的內(nèi)容進(jìn)行分析。

      圖1 某多用途船艙內(nèi)集裝箱系固布置

      圖2 某集裝箱船橫艙壁上的箱格導(dǎo)軌架

      以一艘能裝載1700TEU集裝箱為主的某多用途船為研究對(duì)象,參考“鋼規(guī)”中集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算的相關(guān)要求,建立貨艙段有限元計(jì)算模型。并根據(jù)該多用途船貨艙區(qū)域的結(jié)構(gòu)型式、集裝箱固定方式以及集裝箱的實(shí)際布置,在艙段有限元計(jì)算模型中著重對(duì)該船貨艙區(qū)域結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況進(jìn)行分析,在節(jié)點(diǎn)上施加相應(yīng)貨物載荷。通過(guò)對(duì)貨艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析,進(jìn)一步討論該船集裝箱橫向運(yùn)動(dòng)加速度和垂向運(yùn)動(dòng)加速度產(chǎn)生的慣性力對(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響[3],并為設(shè)計(jì)者提供更準(zhǔn)確的多用途船貨艙在裝載集裝箱時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法。

      1 貨艙段有限元模型

      該船主尺度以及主要參數(shù)見(jiàn)表1。

      表1 某多用途船主尺度及參數(shù)

      1.1 模型計(jì)算范圍

      該多用途船共設(shè)5個(gè)貨艙,由于第三貨艙位于船中位置,根據(jù)“鋼規(guī)”要求選取第三貨艙作為直接計(jì)算的目標(biāo)貨艙。艙段直接計(jì)算模型的縱向范圍為第二貨艙區(qū)的1/2個(gè)貨艙、整個(gè)第三貨艙區(qū)、第四貨艙區(qū)的1/2個(gè)貨艙(FR88~FR162),其中FR106、FR109、FR143、FR146分別為水密橫艙壁位置,模型橫向范圍為整個(gè)船寬。

      艙段有限元計(jì)算模型取船體橫向、縱向范圍內(nèi)的所有構(gòu)件,并滿足“鋼規(guī)”第1章第14節(jié)1.14.6的建模原則(見(jiàn)圖3、4)。

      圖3 艙段有限元模型示意(全寬)

      圖4 艙段有限元模型示意(左舷)

      1.2 邊界條件

      為了避免過(guò)去直接計(jì)算法中邊界條件施加后彎矩及剪力修正的不確定性,“鋼規(guī)”要求邊界條件按照計(jì)算局部載荷和施加斷面彎矩分開(kāi)處理,然后將兩次計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果線性疊加后再進(jìn)行強(qiáng)度校核。該船參考了“鋼規(guī)”第2篇第7章附錄2集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算邊界條件設(shè)定的內(nèi)容,建立適合本船局部對(duì)稱載荷、總體載荷和橫傾工況的邊界條件,詳細(xì)邊界設(shè)定見(jiàn)表2、3、4和圖5。

      局部對(duì)稱載荷工況和橫傾工況邊界條件要求該船舷側(cè)外板、內(nèi)殼板與前后橫艙壁交線EG、FH(見(jiàn)圖5)上節(jié)點(diǎn)設(shè)置垂向彈簧單元(Grounded Sping_UZ),橫傾工況邊界條件還要求船底板、內(nèi)底板與前后橫艙壁交線IK、JL(見(jiàn)圖5)上設(shè)置水平彈簧單元(Grounded Sping_UY)。彈簧單元彈性系數(shù)均勻分布,彈性系數(shù)K為:

      式中:G——材料的剪切彈性模量,對(duì)于鋼材,G=0.792×105;

      A——前后艙壁處舷側(cè)外板、內(nèi)殼板的剪切面積或前后艙壁處船底板和內(nèi)底板的剪切面積;

      lH——舯部貨艙長(zhǎng)度;

      n——舷側(cè)外板、內(nèi)殼板上垂向交線節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

      表2 局部對(duì)稱載荷邊界條件

      表3 總體載荷邊界條件

      表4 橫傾工況邊界條件

      圖5 邊界條件

      2 載荷及計(jì)算工況

      2.1 計(jì)算工況

      該船裝載集裝箱時(shí),可參照裝載手冊(cè)和“鋼規(guī)”第2篇第7章附錄2集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算中所列出的LC1、LC2、LC3、LC9、LC10正浮工況,LC4、LC5橫傾工況,LC6縱蕩工況?!颁撘?guī)”中除了縱蕩工況是考核縱向慣性力對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響,其他計(jì)算工況均為僅考慮施加靜載荷的工況。為了討論船舶橫向運(yùn)動(dòng)、垂向運(yùn)動(dòng)加速度產(chǎn)生的慣性力對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響,還增加了集裝箱橫向、垂向動(dòng)載荷影響的裝載工況LC7、LC8,LC9av、LC10av(見(jiàn)表5)。

      表5 計(jì)算工況

      2.2 計(jì)算載荷

      2.2.1 計(jì)算公式

      運(yùn)動(dòng)加速度公式和波浪載荷可以參照“鋼規(guī)”第2篇第1章第14節(jié)的相關(guān)要求計(jì)算。20ft和40ft集裝箱載荷分別按照裝載手冊(cè)中甲板上和貨艙內(nèi)集裝箱最大許用堆重取值。集裝箱由橫向、縱向、垂向運(yùn)動(dòng)加速度產(chǎn)生的慣性力按照每個(gè)集裝箱所處位置計(jì)算其所受慣性力,表6、7給出了該船艙內(nèi)集裝箱載荷的計(jì)算值。

      集裝箱動(dòng)載荷公式為:

      式中:G——集裝箱的總重量;Q——風(fēng)載荷;φm——最大橫搖角; al——縱向合成加速度; at——橫向合成加速度; av——垂向合成加速度。

      集裝箱靜載荷公式為:

      式中:θ——橫傾角。

      表6 20ft艙內(nèi)集裝箱(24t)載荷

      表7 40ft艙內(nèi)集裝箱(30.48t)載荷

      2.2.2加載方式

      根據(jù)“鋼規(guī)”的要求:貨艙內(nèi)集裝箱由于橫傾產(chǎn)生的橫向載荷分量,按其在橫艙壁對(duì)應(yīng)的箱角分布位置為作用點(diǎn),以一組集中力作用在橫艙壁上;貨艙內(nèi)每一集裝箱由縱向運(yùn)動(dòng)加速度產(chǎn)生的力應(yīng)按各集裝箱的物理位置由集裝箱對(duì)應(yīng)箱角位置傳遞到橫艙壁的主要構(gòu)件上。

      考慮到多用途船的結(jié)構(gòu)形式和常規(guī)集裝箱船存在差異。該船貨艙內(nèi)未設(shè)置橫向支撐艙壁且橫艙壁上也沒(méi)有設(shè)置導(dǎo)軌架(橫艙壁和集裝箱間不存在力的傳遞關(guān)系),故無(wú)法將集裝箱由于縱向加速度產(chǎn)生的力以及船舶橫傾、橫搖產(chǎn)生的集裝箱橫向載荷分量傳遞到附近的橫艙壁上,且艙內(nèi)集裝箱的實(shí)際系固布置只能將橫向載荷傳遞到內(nèi)殼縱艙壁上(見(jiàn)圖1)。所以,對(duì)于橫傾工況LC4、LC5和橫向、垂向運(yùn)動(dòng)載荷工況LC7,艙內(nèi)橫向載荷由內(nèi)殼縱壁承受,加載點(diǎn)為內(nèi)殼縱壁上橫向拉壓支撐器位置(見(jiàn)圖6)。對(duì)于縱蕩工況LC6,由于該多用途船集裝箱布置在船長(zhǎng)方向與橫艙壁有一定距離,艙內(nèi)集裝箱的縱向慣性力僅由底腳件傳遞到內(nèi)底板上,所以將計(jì)算出的縱向慣性力加載到內(nèi)底板的箱角處(見(jiàn)圖7)。其它甲板上集裝箱載荷可參照“鋼規(guī)”要求加載。

      圖6 橫傾工況集裝箱載荷的加載方式

      圖7 縱蕩工況集裝箱載荷的加載方式

      3 有限元計(jì)算結(jié)果和分析

      3.1 計(jì)算結(jié)果比較

      通過(guò)對(duì)該多用途船貨艙區(qū)域結(jié)構(gòu)有限元模型的數(shù)值計(jì)算,得到集裝箱裝載工況LC1~LC10的應(yīng)力分布。這里僅給出部分工況下一些主要構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表8)。

      表8 主要構(gòu)件的應(yīng)力水平比較 單位:N/mm2

      3.2 橫向、垂向運(yùn)動(dòng)加速度對(duì)船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響

      根據(jù)表8中列出的在部分計(jì)算工況下主要構(gòu)件的最大應(yīng)力,分析船舶垂向、橫向運(yùn)動(dòng)載荷對(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

      3.2.1 計(jì)算結(jié)果分析

      橫向、縱向運(yùn)動(dòng)載荷對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響從表6~8的計(jì)算結(jié)果可以看出:

      1) 考慮到外載荷的變化,運(yùn)動(dòng)載荷工況下部分構(gòu)件的應(yīng)力水平要大于靜載荷工況;

      2) 如圖8、9所示,根據(jù)該船貨艙內(nèi)實(shí)際的受力分布加載后,LC4、LC5計(jì)算工況下縱艙壁,內(nèi)底板的應(yīng)力分布更加接近實(shí)際情況;

      3) 工況LC1內(nèi)底板應(yīng)力水平要大于其他工況,其原因是LC1假定工況中間貨艙為空艙,雙層底主要承受了外部海水壓力的影響,但是雙層底局部強(qiáng)度還和設(shè)計(jì)許用堆重相關(guān),所以其他裝載工況不能省略。

      圖8 LC5工況縱艙壁應(yīng)力水平

      圖9 LC5工況內(nèi)底板應(yīng)力水平

      3.2.2 綜合分析

      1) 在計(jì)算運(yùn)動(dòng)載荷時(shí),需考慮艙內(nèi)每個(gè)集裝箱的物理位置,計(jì)算時(shí)可選取延船長(zhǎng)范圍內(nèi)各個(gè)方向的最不利的運(yùn)動(dòng)加速度;

      2) 由于靜橫傾角和最大橫搖角各不相同,所以LC4、LC5、LC7、LC8各工況在船舶初步設(shè)計(jì)時(shí)都可以考慮;

      3) “鋼規(guī)”中縱蕩工況LC6,主要校核的是橫艙壁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,所以將計(jì)算的縱向動(dòng)載荷加載內(nèi)底板的箱角處,但僅校核相鄰橫艙壁的應(yīng)力水平。

      4 結(jié) 語(yǔ)

      對(duì)某多用途船集裝箱裝載工況下艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的討論與分析,可以得到如下結(jié)論:

      1) 對(duì)集裝箱在艙內(nèi)的固定形式使船舶運(yùn)動(dòng)(橫搖、垂蕩等)產(chǎn)生的動(dòng)載荷作用的船體結(jié)構(gòu)的評(píng)估是不可忽視的,增加動(dòng)載荷因素的計(jì)算工況更能真實(shí)地反映船舶在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng);

      2) 為了更準(zhǔn)確地反映力的傳遞,貨艙內(nèi)集裝箱壓力或慣性力的加載應(yīng)與該船的實(shí)際系固布置相結(jié)合;

      3) 由于船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的多樣性,如船舶縱蕩向下、縱蕩向上和左右舷橫搖對(duì)各個(gè)加速度的影響,所以增加動(dòng)載荷因素的計(jì)算工況還需不斷完善,包括與之對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)衡準(zhǔn)。

      [1] 陳 方,李忠楊. 24000dwt多用途船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊,2011[Z1]: 38-43.

      [2] 中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S]. 北京:人民交通出版社,2012.

      [3] 初艷玲. 超大型集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范校核及有限元分析[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2008.

      [4] Structural Rules for Container Ships. GL[S]. 2011.

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