有限元法甲板运输船全船结构强度分析

， ，，

(1.武汉理工大学 交通学院，武汉 430063；2.台州市港航管理局，浙江 台州 318000 )

甲板运输船因具有船体结构及设备简单、施工方便，造价和管理维修费用低、利用率高等优点而深受船东的欢迎。为了降低成本，该类船舶的结构设计一般都采用规范允许的最低强度限度。船舶在营运过程中存在结构破坏的事故隐患，所以分析此种船舶的结构强度非常重要。目前，全船有限元直接计算是分析船舶结构强度直观而准确的方法之一[1]。

1 船型介绍

此系列船为连续单甲板、单舷、单底钢质全电焊结构、全船除船底区域采用纵骨架式结构外，其余区域全部为横骨架式结构，尺度要素见表1。

表1 自航甲板驳尺度要素

2 模型及边界条件

取全船(忽略上层建筑)范围内的船体结构构件建立三维有限元模型。取右手直角坐标系，原点O位于Fr 0船底中线处，X轴沿船舶的纵向，向艏为正；Y轴沿船舶的横向，向左舷为正；Z轴正方向垂直向上。

边界条件采用惯性释放的方法[2]。

3 载荷和计算工况

在计算模型中，载荷包括货物压力、空船重量、舷外水压力；计算工况为：满载出港、满载到港、压载出港、压载到港。

3.1 货物压力(包括货物和压载水)

货物载荷以面压力的形式施加。按照CCS《散货船结构强度直接计算指南(2003)》，货舱内的货物压力通过下式计算确定。

Pi=10ρc(1+0.35a0/Cb)kbD

得到3艘船的货物压力在甲板上的分布函数：

1)96 m船。

(-2.35X2+24.96X+183.7)/1 000;

2)85 m船。

(-2.35X2+24.96X+160.52)/1 000;

3)75 m船。

(-2.97X2+24.96X+150.4)/1 000。

通过场函数的形式施加到相应的甲板区域。

甲板驳船不装载货物时需要压载，压载水以静水压力的形式施加，设计船的型深为D，海水密度取ρ=1.025 t/m3。

压载水压力的分布函数为ρ×9.81×10-6×(D-′Z)。

3.2 空船重量(包括船体结构自身的重量、设备舾装等的重量)

在进行全船结构强度分析时，空船重量也是主要的载荷。要让计算结果符合实际情况，空船自身重力应该与由舷外水压力产生总的浮力尽量接近，重心位置与浮心位置也应该尽量接近[3]。空船重量载荷的加载方法为将重量等效为加载在全船所有节点上的集中力。按照空船重量分布曲线，将船体分为几段，再将每段的重量等效为集中力载荷加载在每个分段的节点上。

3.3 舷外水压力

使用DNV的SESAM软件计算波浪载荷，该直接计算方法基于三维线性势流理论，采用的波浪谱是P-M双参数谱，它是参照国际船级社协会(IACS)推荐和认可的波浪长期统计资料。

波浪载荷设计计算值取为10-8概率水平(代表设计寿命为20 年)。通过SESAM软件可以得到各工况下的沿船长分布的弯矩和对应的频响，而最大弯矩与频响的比值就是该海域的等效波高。

确定波高后，利用坦谷波计算式得到该工况波浪中拱和波浪中垂状态下的波面形状，将波面形状用Matlab拟合成4次多项式函数曲线。船底基线处的压力由波面高度决定，波面处的压力为零，舷外水压力载荷根据计算工况船舶处于平衡状态时的波面，将波面曲线处理成场函数的形式施加到模型外板各有限元单元上。

4 计算结果

危险工况的计算结果见表2、3，主要结构单元形心处中面von Mises应力云图见图1～3。

计算结果表明，此系列船结构在满载出港、满载到港、压载出港、压载到港(波浪中拱、中垂)4种工况的设计载荷作用下，各项应力的水平均在《散货船结构强度直接计算分析指南(2003)》规定的许用应力范围之内[4]，高应力区域还有一定的裕度，所以本系列船结构的主要构件(板壳结构)的强度满足设计要求。

表2 满载出港中垂工况 MPa

图1 96、85、75 m甲板板单元形心处中面von Mises应力云图

表3 满载到港中垂工况 MPa

图2 96、85、75 m船底板板单元形心处中面von Mises应力云图

图3 96、85、75 m船底纵桁板单元形心处中面von Mises应力云图

5 结论

在满载出港波浪中垂危险工况下三条船的应力分布呈现以下特点：货舱区船体中段结构的应力水平较艏艉部结构的应力水平高。其中甲板在船中部货舱区域应力值较高，逐步向船艏艉两端减小，但在与艏艉相接处有局部高应力区；甲板沿宽度方向的应力分布非均匀，由应力云图可以看出，舷侧处应力较大，沿船宽方向向船中逐渐减小；船底板应力分布趋势与甲板相同；机舱的前端壁和后端壁处应力值较高。

甲板、舷侧外板、纵舱壁、船底纵桁和甲板纵桁是承受总纵弯曲应力的主要构件，应力水平较高，在设计计算时要给予高度重视。

[1] 罗秋明.超大型矿砂船全船结构强度计算及内部货物载荷分布研究[D].上海：上海交通大学，2010.

[2] 张少雄，杨永谦.惯性释放在油船结构强度直接计算中的应用[J].船海工程，2004，(4)：4-6.

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

[4] 中国船级社.散货船结构强度直接计算分析指南[S].北京：人民交通出版社，2003.