徐　潔，湯在義，范　強

(1.無錫市興隆船舶有限公司，江蘇 無錫 214216；2.揚州市地方海事局，江蘇 揚州 225009)

92.6 m江海直達貨船艙口蓋結構強度分析

徐潔1，湯在義2，范強1

(1.無錫市興隆船舶有限公司，江蘇 無錫 214216；2.揚州市地方海事局，江蘇 揚州 225009)

摘要：由于艙口蓋在外部風浪載荷以及壓載荷的情況下易引起艙口蓋結構強度的破壞，影響船體整體性能，以92.6 m江海直達貨船艙口蓋作為研究對象，采用PATRAN/NASTRAN有限元軟件，建立相應的有限元模型，考慮3種類型一樣但數(shù)值不同的載荷：艙口蓋上載荷按照第1、第2、第3塊艙口蓋依次壓力為36.12、33.70、30.31 kN，根據(jù)規(guī)范的要求施加相應的邊界條件，并根據(jù)規(guī)范許用應力的要求對計算結果進行了分析。計算結果表明本船的艙口蓋結構強度滿足規(guī)范的要求。

關鍵詞：貨船；艙口蓋；載荷；有限元法

0引言

隨著國內CAE技術的大幅度進步，之前根據(jù)船舶結構設計人員經(jīng)驗對結構優(yōu)化增強已經(jīng)遠遠不夠用，使用有限元軟件對整船進行強度校核已經(jīng)較為成熟。本文以92.6 m江海直達貨船艙口蓋作為討論目標，采用大型有限元軟件MSC.PATRAN/NASTRAN進行有限元計算以及分析，參照中國船級社CCS規(guī)范，研究3個數(shù)值不同的壓載荷結構應力形變情況。

1艙口蓋的介紹及其主尺度

1.1選取艙口蓋之間的對比

吊離式艙口蓋和折疊式艙口蓋為目前常用的2種艙口蓋，其結構形式分別如圖1、圖2所示。

吊離式艙口蓋具有簡單可靠，無需配置驅動裝置等優(yōu)點，故造價便宜，維修保養(yǎng)方便。因蓋板塊數(shù)不受限制，適合于各種長度的艙口，也適合于各層甲板艙口，因此較多應用于全集裝箱船露天甲板、多用途船中間甲板及長艙口的艙口蓋，也常常與單拉式或折疊式組合在一起，作為長艙口的組合艙口蓋。該艙口蓋不適合于無起貨設備的散貨船。在全集裝箱船中，盡管無起貨設備，但可用碼頭上集裝箱專用吊架吊放蓋板，吊離一塊蓋板如同吊離一只集裝箱，十分方便。

折疊式艙口蓋強度好，不易損壞，適宜裝載各種甲板貨物；橫接縫無需設壓緊器，滾輪無需設頂升裝置，啟閉操作簡單可靠；收藏長度及高度適應性大，既適用于露天甲板，也適用于中間甲板，故廣泛應用于普通干貨船、多用途船、冷藏船、木材運輸船及中小型散貨船。

綜上所述，考慮折疊式經(jīng)濟效益好，用途較廣，強度高以及適宜裝載各種貨物，而吊離式艙口蓋多用于集裝箱船，需要特定的起貨設備，故92.6 m江海直達貨船選擇折疊式艙口蓋。

圖1　吊離式艙口蓋

圖2　折疊式艙口蓋

1.2船舶主尺度及其相關參數(shù)

92.6 m江海直達貨船主要尺度：總長92.6 m，垂線間長88.56 m，型寬16.20 m，型深6.80 m，滿載吃水5.30。該船是按吃水5.30 m設計的全部使用焊接的鋼質船舶。本船設計為雙底縱骨架式結構，船舶整體結構滿足中國船級社的要求。

該船使用艙口蓋共有2種尺寸，其中第1、第2塊艙口蓋寬為1.7 m，長為12.06 m，第3塊艙口蓋寬為2.8 m，長為12.06 m。

2有限元模型

2.1結構模型

本文以92.6 m江海直達貨船艙口蓋作為研究對象，采用大型有限元軟件建模分析。

2.2邊界條件

根據(jù)實際可推出該艙口蓋模型縱方向以及橫方向限位器的特點，在縱向該方向的自由度為0，在橫向該方向的自由度為0，支撐塊垂向自由度為0。

2.3計算載荷

根據(jù)《國內航行海船建造規(guī)范》(2015)，艙口蓋除要按照該篇規(guī)范第2章第20節(jié)的計算以外，位于從首垂線起至0.25L(船長)范圍內的艙口蓋的最小尺寸，而且還應滿足該規(guī)范第8章第8節(jié)的要求。

2.3.1計算載荷

2.3.1.1計算載荷說明

按照上述規(guī)范第8章第8節(jié)可知，作用在艙口蓋蓋板上壓力P應用下面公式計算：

2.3.1.2各載荷的計算

本船一共20塊艙口蓋，其中第1、第2塊上壓載荷分別為36.12、33.70 kN/m2，第3塊至第20塊艙口蓋上所受到的壓載荷為30.31 kN/m2。計算壓載荷時除了A不同外，其余參數(shù)均為定值，其中V=13 kn、L=92.6 m、Cb=0.74、df=3.92 m，第1塊艙口蓋A=1.43，第2塊艙口蓋A=1.22，第3塊艙口蓋A=1.00，最終根據(jù)以上數(shù)據(jù)求得3種壓載荷的數(shù)值。

2.3.2強度衡準

本船貨艙蓋采用CCSA鋼。根據(jù)中國船級社《國內航行海船建造規(guī)范(2015)》第8章第8節(jié)“貨艙艙口蓋尺寸的確定”中8.8.3“強度衡準”及《國內航行海船建造規(guī)范(2015)》第2篇第2章第20節(jié)表2.20.9.2中鋼制箱型艙口蓋撓度的規(guī)定：

艙口蓋上受到壓載荷，其支撐構件許用正應力[σ]=0.80ReH

許用撓度=0.002 2l0

式中：ReH為材料的屈服應力，ReH=235 MPa；l0為艙口蓋扶強材的跨距，本船l0=12.06 m。

本船艙口蓋強構件(端橫梁/縱桁)均為AH36，ReH=355 MPa，其他板材及角鋼等為CCSA。通過上述公式帶入各材料的屈服應力，計算出甲板許用正應力為188 MPa，梁系許用正應力為284 MPa，鋼質艙口蓋最大位移許用值為0.026 5 m。

3結果分析

艙口蓋的最大應力數(shù)據(jù)見表1，板上最大變形數(shù)據(jù)見表2。通過對艙口蓋上整體結構應力云圖以及整體變形云圖發(fā)現(xiàn)，本船艙口蓋的最大應力和最大變形出現(xiàn)在第3塊上，其應力云圖以及整體變形云圖如圖3～圖4所示。

表1　艙口蓋結構最大應力匯總

表2　板架最大變形匯總

圖3　第3塊艙口蓋應力云圖

圖4　第3塊艙口蓋變形云圖

4結論

(1)92.6 m江海直達貨船的艙口蓋在上述3種工況下結構強度低于許用值，艙口蓋設計符合規(guī)范的強度設計要求。

(2)根據(jù)計算結果可知，本船艙口蓋的最大應力和最大變形出現(xiàn)在工況3，此時艙口蓋上的壓力為30.31 kN/m2。

(3)進行分析可以得出完善的模型、標準的網(wǎng)格劃分。通過對本船艙口蓋結構強度的計算結果研究發(fā)現(xiàn)，合理的約束條件是得出有限元計算正確結果的必要條件。

參考文獻：

[1]孫燕.艙口蓋結構優(yōu)化設計及軟件開發(fā)[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2010.

[2]張少雄,李雪良,陳有芳.船舶結構強度直接計算中板單元應力的取法[J].船舶工程,2004,26(3):21-23.

[3]于雁云，林焰，紀卓尚，陸叢紅，等.基于參數(shù)化表達的船舶結構有限元分析方法[J].船舶力學，2008(1)：74-79.

[4]施麗娟,崔維成.船舶結構強度有限元分析的質量控制研究綜述[J].船舶,2002(5):31-39.

[5]羅金炎,陳慶強.船舶面向對象有限元的應用研究[J].計算機輔助工程,2004(1):18-22.

[6]黃國寧,陳海,霍應元.MSC Nastran優(yōu)化功能在結構強度設計中的應用[J].計算機輔助工程,2006(B09):50-52.

[7]張匯平,唐永生,余小川.28 000 DWT多用途船二層甲板及其艙口蓋強度分析[J].計算機輔助工程,2006(B09):78-80.

收稿日期：2015-11-10

作者簡介：徐潔(1988—),女,助理工程師,從事船舶質量檢驗工作；湯在義(1972—)，男，助理工程師，從事船檢工作；范強(1989—)，男，從事船體結構工作。

中圖分類號：U661.43

文獻標志碼：A