半、全宽舱段模型的船舶横向强度比对

2012-08-11陈舟林方海滨

船舶 2012年4期

陈舟林王伟方海滨

（1.浙江海洋学院东海科学技术学院舟山316004；2.浙江海洋学院船舶与建筑工程学院舟山316004；3.浙江欧华造船有限公司舟山316101）

0 引言

我国造船事业蓬勃发展，目前已成为世界造船大国。散货船一直是我国主流建造船型，为确保散货船的安全运输，船级社都加强了对散货船强度的校核与检验，有限元直接计算法在各船级社已广泛采用。本文按照中国船级社的相关规定与要求，对半、全舱段模型进行有限元横向强度计算与对比分析，计算结果为散货船的强度分析提供了参考。

1 有限元模型的建立

1.1 船型及结构概况

该54 000 dwt散货船垂线间长195.00 m、型宽33.98 m、型深16.50 m，有5个货舱，舱长 31.98 m。货舱区域为单壳、双底结构，采用CCS A、CCS AH36钢，肋骨间距820 mm，双层底高1 780 mm，强框架间距2 460 mm，设有8道底纵桁。

1.2 结构有限元模型

利用MSC.Patran软件对本船的舱段结构建立有限元，模型见图1、图2。船长方向只考虑船中货舱区的1/2个货舱+1/2个货舱，垂向范围为船体型深。模型中各船体构件采用壳单元或梁单元模拟。模型坐标系采用笛卡尔坐标系，原点位于舱段端面船底中线处，其X轴沿船体纵向指向船艏，Y轴沿船宽方向指向左舷，Z轴沿型深向上。［1-2］

图1 1/2个货舱+1/2个货舱半宽模型有限元（模型1）

图2 1/2个货舱+1/2个货舱全宽模型有限元（模型2）

2 边界条件

参照文献［3-6］的相关规定，确定有限元模型的边界条件。模型1的两端（简称A端和B端）和中纵剖面（CL）均需约束，详见表1；模型2的两端（简称A端和B端）约束与模型1相同，为使结果具有可比性，中线面上任意一点横向位移约束，详见表2。

表1 有限元模型1边界条件

表2 有限元模型2边界条件

3 载荷工况

3.1 计算载荷

横向强度计算时，结构所承受载荷视计算工况而定，包括舱内货物压力、压载水压力、舷外水压力和甲板上浪压力等，不考虑总纵弯矩及端面剪力。［3-4］

3.1.1 舱内货物产生的压力计算

式中：ρc为货物的密度，t/m3；

Cb为方形系数；

90 m≤L＜300 m；

hd为计算点到货物顶点的垂直距离，m；

kb=sin2α·tan2（45°-0.5δ）＋cos2α，

α为板与水平面之间的夹角，

δ为货物休止角（谷物为30°）。

3.1.2 舷外水压力（满载工况）

舷外水压力由静水压力和波浪水动压力两部分组成。

在基线处：Pb=10d＋1.5CwkN/m2

在水线处：Pw=3CwkN/m2

在舷侧顶端处：Ps=3P0kN/m2

甲板上的水动压力：Pd=2.4P0kN/m2（2）

式中：P0为系数，P0=Cw-0.67（D-d）；Cw为波浪系数，

3.2 计算工况

根据船舶装载计算书，取重一般压载、重货均匀满载和轻货均匀满载三种工况进行计算。具体计算工况如表3所示。

表3 货舱结构有限元分析计算工况

4 计算及分析

4.1 相关参数选取

对于一般压载工况，压载水的位置、重量等根据船舶装载计算书中选定；轻货满载工况由货物密度、载货量、舱容确定；重货满载工况由载货量、货舱截面尺寸、货物密度（3 t/m3）及货物休止角来确定货物对船体结构的载荷。

4.2 计算结果

具体计算结果见表 4、表5，以及图 3～图6（图中全模隐去一半显示）。

表4 模型各主要构件在各工况下的最大合应力MPa单位：

表5 模型变形结果单位：mm

图3 半模应力分布云图

图4 全模应力分布云图

图5 半模变形云图

4.3 讨论与分析

计算结果从应力和形变两方面分析如下：

图6 全模变形云图

（1）相同载荷作用下，半模与全模的最大应力均为147.0 MPa（出现在强框架处），低于CCS许用应力（横舱壁许用应力为145 MPa，其余构件许用应力均为175 MPa），满足强度要求；各构件应力情况、模型应力与分布基本一致；应力集中的部位主要在强框架开口处（三角形单元）、底纵桁端部（边界影响），剔除后应力水平较小。

（2）模型最大变形在9 mm以内，变形量较小，且两模型的变形及分布规律基本相同；纵向构件变形最大的在舱壁与边界中部，纵、横方向的强构件在纵向变形上起到较大的控制作用；横向结构最大在船中。

（3）中线面上的结构在半模中减半建模，计算结果中线面处的结构应力与变形大小与分布基本一致。