集散兩用貨船艉部甲板局部強度有限元分析

湯在義，杜　斌

(揚州市地方海事局,江蘇 揚州 225009)

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集散兩用貨船艉部甲板局部強度有限元分析

湯在義，杜斌

(揚州市地方海事局,江蘇 揚州 225009)

摘要：集裝箱船艉部艙段強度校核是船體結(jié)構(gòu)強度校核中的重要組成部分，船舶發(fā)動機等重要裝置都分布在艉艙段內(nèi)。在航行過程中集裝箱會垂向震蕩，極端情況下會影響艉部結(jié)構(gòu)強度能力并使其結(jié)構(gòu)失效，進而對船舶造成毀滅性破壞。運用有限元軟件Patran對78.2 m集散兩用貨船艉部艙段部分進行建模研究，考慮2種集裝箱裝載工況：裝載重箱以及裝載空箱，根據(jù)規(guī)范要求施加了相關(guān)邊界條件，并根據(jù)規(guī)范許用應(yīng)力要求對計算結(jié)果進行了分析，最終計算出來的結(jié)果表明本船艉部艙段結(jié)構(gòu)有限元強度能夠滿足中國船級社的規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：集裝箱船；貨船；艉部；結(jié)構(gòu)強度；有限元分析

0引言

隨著世界經(jīng)濟全球化的不斷發(fā)展，國家之間的貿(mào)易往來也越來越頻繁，集裝箱船因其低廉的運輸價格、高效的運輸方式以及安全可靠性成為目前運輸業(yè)的首選運輸工具。近年來集裝箱船快速發(fā)展并趨于成熟，為了滿足新時代的新要求，現(xiàn)在集裝箱船正朝著集約化、大型化、信息化的趨勢發(fā)展，對于集裝箱船的設(shè)計來說，這是一次新的挑戰(zhàn)。

由于集散兩用貨船一般采用大量的高強度鋼并且航速較快，在船體艙口處容易產(chǎn)生較大的變形，因此，需要重點考慮船體的總縱強度以及疲勞問題。在設(shè)計之初必須對船舶結(jié)構(gòu)強度進行校核，使船舶設(shè)計滿足規(guī)范要求。集裝箱船艉部作為船舶最重要的部分，因船舶動力裝置及其他眾多重要設(shè)施都匯聚于此，因此必須充分保證其結(jié)構(gòu)的強度及安全性。在有限元軟件應(yīng)用之前，船舶設(shè)計人員憑借自身經(jīng)驗對結(jié)構(gòu)進行加強?，F(xiàn)在，隨著大型有限元分析軟件逐漸趨于成熟與完善，使得結(jié)構(gòu)優(yōu)化更趨于科學(xué)化。 本文運用有限元軟件Patran對78.2 m集散兩用貨船艉部艙段部分進行建模研究，參照規(guī)范要求研究了2種工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況。

1主要尺度及其他參數(shù)

78 m集散兩用貨船主要尺度：總長78.20 m，垂線間長75.20 m，型寬15.80 m，型深5.80 m，設(shè)計吃水4.90 m，裝箱量272 TEU。

本船是按吃水4.90 m設(shè)計的鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)船舶并且船體結(jié)構(gòu)符合中國船級社的要求。船體結(jié)構(gòu)：艏部、艉部舷側(cè)部分、機艙舷側(cè)均采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，貨艙舷側(cè)、貨艙雙層底區(qū)域、機艙甲板均采用縱骨架式結(jié)構(gòu)；全船肋距為600 mm，中內(nèi)龍骨及甲板縱桁間距為1 575 mm或1 600 mm，縱骨間距為525 mm，抗扭箱縱骨間距為550、500 mm。結(jié)構(gòu)布置：本船的貨艙區(qū)域采用雙層底結(jié)構(gòu)布置，其高度900 mm，雙舷側(cè)、雙甲板、邊甲板的寬度均為1 600 mm，艏、艉2部分均為單層底、單舷側(cè)，機艙為單層底雙舷側(cè)，貨艙布置間距為1 800 mm的強肋骨，艏艉及機艙舷側(cè)為強弱交替結(jié)構(gòu)形式，貨艙區(qū)域舷側(cè)采用主肋骨結(jié)構(gòu)形式。

如圖1為集裝箱裝載模式三維動畫模型圖。

圖1　集裝箱裝載三維動畫模型圖

2有限元模型

2.1結(jié)構(gòu)模型

有限元模型的范圍：縱向的范圍從艉封板到Fr23肋位，寬度方向上的模型范圍為整個型寬，高度方向上的模型范圍是從距基線1 900 mm處到甲板板。其中，甲板、艙壁以及集裝箱底腳墊角等平板板材結(jié)構(gòu)采用2維shell單元模擬單元模擬，甲板上的縱桁及橫梁等使用2維shell單元來模擬，面板用1維bar單元模擬；其他小的支柱及骨材等用1維bar單元模擬。有限元模型的材料參數(shù)：本船艉部艙段結(jié)構(gòu)采用普通235鋼，其彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比v=0.3。坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)系，船艉指向船首方向為X正方向，Y正方向從左舷指向右舷，垂直向上為Z的正方向。模型長度以及力學(xué)單位為m和N。艉部艙段模型見圖2、圖3。

圖2　艉部模型

圖3　艉部模型(仰視)

2.2邊界條件

邊界條件：在艉部艙段的四周限制其移動，在艉部艙段的底部限制其移動與轉(zhuǎn)動。其邊界條件如圖4所示。

圖4　艉部模型邊界條件

2.3計算工況及載荷

2.3.1計算工況

根據(jù)集裝箱裝載布置圖的說明及實際裝載狀態(tài)，本船需考慮表1中的2種工況。表中，空箱重量2.5 t，重箱重量14 t。

表1　計算工況

2.3.2計算載荷

根據(jù)集裝箱裝載布置的要求，應(yīng)計算艉部艙段集裝箱箱角處的集中應(yīng)力，但在實際裝載過程中集裝箱的力不是均勻分布在整個集裝箱底部，而是均勻分布于集裝箱4個角與艉部甲板接觸的箱腳上。根據(jù)中國船級社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范修改通報》(2015)第14章“結(jié)構(gòu)強度直接計算補充規(guī)定”中第7節(jié)“局部結(jié)構(gòu)強度計算”的規(guī)定，可以計算出2種工況下集裝箱箱角處的集中應(yīng)力。

F1=1 000g(W1+W2)/4

F2=4×1 000gW1/4

式中：F1為工況1集裝箱箱角處集中應(yīng)力，MPa；F2為工況2集裝箱箱角處集中應(yīng)力，MPa；g為重力加速度，m/s2；W1為重箱重量，t；W2為空箱重量，t。

2.3.3載荷加載方式

將各工況下的集裝箱載荷加到對應(yīng)的集裝箱底腳墊角處，施加載荷后的模型如圖5～圖6所示。

圖5　工況1艉部甲板箱角集中應(yīng)力示意圖

圖6　工況2艉部甲板箱角集中應(yīng)力示意圖

3結(jié)果分析

艉部艙段結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力見表2，艉部艙段最大形變見表3。

表中，工況1與工況2板系最大合成應(yīng)力出現(xiàn)在甲板板上的集裝箱墊腳處，梁系最大組合應(yīng)力出現(xiàn)在甲板縱桁腹板處。工況1與工況2最大變形出現(xiàn)在甲板板上的集裝箱墊腳處。

表2　船艉艙段結(jié)構(gòu)應(yīng)力

表3　船艉艙段最大變形匯總

艉部艙段模型結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖以及形變圖如圖7～圖10所示。

圖7　工況1合成應(yīng)力云圖

4結(jié)論

(1)78.2 m集散兩用貨船艉部結(jié)構(gòu)在上述2種不同工作載荷下的強度滿足規(guī)范強度衡準(zhǔn)，艉部結(jié)構(gòu)的設(shè)計符合規(guī)范的強度設(shè)計要求。

(2)根據(jù)計算結(jié)果可知，該船艉部艙段局部結(jié)構(gòu)的最大工作應(yīng)力出現(xiàn)在甲板處，且最大變形也出現(xiàn)在甲板集裝箱箱腳處。

(3)計算分析的過程表明，正確的模型、合理的網(wǎng)格劃分、科學(xué)的載荷計算、加載方法以及正確的約束條件是有限元計算的保證。

(4)本船艉部甲板局部強度滿足中國船級社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2012)及《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范修改通報》(2014)及《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范修改通報》(2015)第14章“結(jié)構(gòu)強度直接計算補充規(guī)定”中的相關(guān)要求。

圖8　工況2合成應(yīng)力云圖

圖9　工況1變形云圖

圖10　工況2變形云圖

參考文獻：

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中圖分類號：U661.43

文獻標(biāo)志碼：A

作者簡介：湯在義(1972—)，男，助理工程師，主要從事船檢工作。

收稿日期：2015-11-04