3 000 t化学品船货舱段有限元强度直接计算

王建勋

(镇江市地方海事局,江苏 镇江 212003)

3 000 t化学品船货舱段有限元强度直接计算

王建勋

(镇江市地方海事局,江苏 镇江 212003)

按照《钢质内河船舶建造规范》(2009)要求对 3 000 t化学品船的货舱段区域利用 MSC.PATRAN/NASTRAN软件进行有限元强度分析,给出边界条件施加方法和载荷计算方法。结果显示货舱段各构件均满足规范要求,最后就一些问题做了初步的分析讨论。

化学品船;有限元;货舱段;强度分析

0 引言

化学品船是一种设计和建造难度较大的高技术、高附加值船型。随着化学工业渗透到人类社会生活的每一个领域,人们对化工产品的需求越来越明显。对于化工企业,它所需的原料及其产品的运输量日益增加,这就相应地促进了化学品船的发展。大多数化学品船的货舱区域采用碳钢加特殊涂料制造。采用不锈钢货舱的化学品船,由于其耐腐蚀、易保养、便于洗舱,因而越来越受到船东的欢迎。本文根据《钢质内河船舶建造规范》(2009)对某 3 000 t化学品船 6种工况下货舱区域的主要构件进行强度评估。

《钢质内河船舶建造规范》(2009)第 6章“油船船体结构补充规定”第 9节“纵桁架”中规范规定,油船应在货油舱区域内设置连续双向纵桁架,纵桁架之间或纵桁架与舷侧或纵舱壁之间的距离应不大于 4 m。本船的船体结构设置不满足规范中这款要求,故按《钢质内河船舶建造规范》(2009)第 14章“结构强度直接计算补充规定”(简称“补充规定”)中的相关要求进行有限元强度的计算及校核。

1 船体说明及有限元模型

1.1 船体说明

3 000 t化学品船为钢质、单甲板、尾机型、倾斜式首柱、双机、双桨、双流线型舵、柴油机推进的化学品船。船型为 2型,液货舱任何部位距船体外板处都不小于 760 mm,舱型船舶为 2G,即整体重力液货舱。本船采用液货舱区域为纵骨架式、设围井,中部水平高度 650 mm。艏、艉、机舱为横骨架式结构。本船装载苯、甲苯、苯胺、甲醇、乙酸丁酯、乙酸乙酯、丁醇、乙醇等比重 1.025 t/m3以下的化学品。本船航行于长江 A、B航区及 J 2级航段。货舱区域为双壳、双底结构,肋距为 600 mm,双层底高 850 mm,强框架间距 1 800 mm,设有 6根双层底纵桁。船舶总长 94.80 m,满载水线长 92.32 m,垂线间长 90.50 m,型宽 16.20 m,型深 4.90 m,设计吃水 3.80 m。本船内底、内壳及膨胀甲板均采用 304L不锈钢。

3 000 t化学品船总布置图如图1所示。

1.2 有限元模型

3 000 t化学品船为左右对称结构,货舱区设置槽型横舱壁和槽型中纵舱壁。整个模型取 1/2(第3号货舱)+1(第 4号货舱)+1/2(第 5号货舱)。模型范围:纵向从 Fr 55～Fr 92肋位;横向为整个船宽;垂向为整个型深(含膨胀甲板)。模型甲板、舷侧板、舭列板、船底板、内底板、横舱壁板、纵舱壁板、肋板、纵桁以及各强构件腹板均采用二维 3、4节点壳单元模拟,其他纵骨、加强筋以及强构件面板等用2节点梁单元模拟。

本模型总节点数为 8 600,单元数为 16 641。模型材料 1:普通钢,弹性模量为 2.06×105MPa,泊松比 0.3,密度 7.85 t/m3,屈服强度 235 MPa。模型材料 2:304L不锈钢,弹性模量为 2.05×105MPa,泊松比 0.3,密度 7.85 t/m3,屈服强度 205 MPa。

有限元模型如图2～图4所示。

1.3 边界条件

根据《钢质内河船舶建造规范》(2009)对于船体中部舱段有限元模型,边界条件如下:在两端面中和轴与中纵剖面交点处各建立一个独立点 N1、N2,端面上的各节点与独立点进行刚性关联。在独立点N1、N2上分别施加线位移约束:即 u1x=u1y=u1z=0,在另一端面所有节点上施加横向、垂向线位移约束,即 u2y=u2z=0。边界示意图如图5所示。

图1 3 000 t化学品船总布置图

图2 整体有限元模型

图3 隐去膨胀甲板后的有限元模型

图5 边界条件示意图

1.4 计算工况及荷载

1.4.1 计算工况及模型载荷

根据 3 000 t化学品船稳性计算书及“补充规定”中的相关要求,计算工况见表1。

表1 计算工况

1.4.2 满载、压载工况静波面位置确定

按“补充规定”第 14.2.3.1条中的相关规定,A级航区计算半波高为 r=1.25 m,按坦谷波理论进行计算。坦谷波波面到波轴线垂向坐标为:式中:r为半波高,取 r=h/2=1.25 m;h为波宽,h=2.5 m;λ为波长,λ=L=90.5 m,L为船长。

船舶由静水进入波浪,其浮态会发生变化。若以静水线作为坦谷波的轴线,当船中位于波谷时,由于坦谷波载波轴线以上的剖面积比轴线以下的剖面积小,同时船体中部又较两端丰满,所以船在此位置时的浮力要比在静水中小,因而不能处于平衡,船舶将下沉 ξ值,ξ为尾垂线处较静水时的沉值;而当船中在波峰时,一般船舶要上浮一些。另外,由于船体首、尾线型不对称,船舶还将发生纵倾变化。为了求静波浪剪力和弯矩,首先必须确定船舶在波浪上的平衡位置。

(1)满载出港(货物密度 0.844 t/m3及 1.025 t/m3)时中垂状态静波面计算

取满载出港为计算载况,首吃水 df0=3.753 m,尾吃水 da0=3.841 m,波轴线移动距离 ε=0.5 m。

满载出港静波面计算过程见表2。

计算得∑2、∑3、∑5、∑6、∑7,并代入下列方程式:

代入方程可得波轴线移动参数:

可得中垂状态下船舶平衡的首、尾吃水:

(2)压载出港中拱状态静波面计算

压载出港时,首吃水 df0=2.298 m,尾吃水 dao=2.758 m,ε=-0.5 m。

2 许用应力衡准

许用应力衡准是根据《钢质内河船舶建造规范》(2009)中表14.3.6.6选取,普通钢结构许用应力见表3。304L不锈钢结构许用应力见表4。表中:σe为板单元表面相当应力;σl为板单元中面沿船长方向应力;σz为梁单元节点合成应力,+σz表示组合拉应力,-σz表示组合压应力;τ为板单元剪应力。

表2 满载出港静波面计算过程

表3 普通钢结构应力衡准

表4 304L不锈钢结构应力衡准

3 计算结果

应力评估区域选取第 4号货舱 Fr 64横舱壁到Fr 84横舱壁之间主要结构。6种工况下第 4号货舱段的应力云图如图6～图11所示。

4 结语

化学品船由于承运货品危险性大,牵涉到的防火、防爆、防污染条款比较多,对于结构布置、强度校核及材料选取造成很大影响。结构设计在方案设计阶段充分考虑相关条款的限制条件,对于完善设计是非常重要的。

从有限元计算结果看,整个货舱段的应力水平不是太高。通过找出强度不足的构件适当加强,强度过剩的构件适度减小,从而达到材料的合理分配和使用,可达到节省钢材、降低船舶自重、提高载货量的目的,进而提高该船的经济性。

在 L C 1工况中,货舱第 1号和第6号满载,其余舱空载,此时船舶处于最大中拱状态。因此,在 L C 1工况中,绝大部分板单元或梁单元的应力值最大,但均满足规范要求。本船的液货区中纵油密舱壁和横向油密舱壁均为槽型舱壁,槽型舱壁一般为轧制而成,存在残余应力,本文未考虑此因素。

[1]王杰德,杨永谦,等.船体强度与及结构设计[M].北京:国防工业出版社,1995.

[2]中国船级社.钢质内河船舶建造规范(2009)[M].北京:人民交通出版社,2009.

[3]余远明.化学品船槽型舱壁节点形式研究[J].船海工程,2004,(5):16-18.

[4]韩海林,孙莉.3 000t化学品船设计[J].江苏船舶,2009,26(5):10-13.

U661.43

A

2010-06-10

王建勋(1967-),男,工程师,主要从事审图工作。