82 000吨散货船货舱区结构有限元分析

2013-09-23刘贤贺

船舶职业教育 2013年2期

刘贤贺

（渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛 125000）

0 前言

为了保证国际船级社协会成员的船舶结构规范在安全水平上的一致性，2006年4月1日国际船级社协会（IACS）《散货船共同结构规范》（Common Structure Rule,CSR）正式实施。CSR的实施旨在为船东制造出质量更好，结构更加牢靠、安全的船舶。CSR总结了IACS各成员单位的先进经验和优点，制定出统一的结构规范，使各船级社都遵守该规范，避免了船级社为争取船舶入级而降低标准的情况发生。同时，新的规范更加灵活，有利于船舶制造业的技术创新。

82 000吨散货船是一艘低速的肥大型船舶，节能环保。该船航行于无限航区、固定单桨、柴油机驱动、具有一层连续上甲板、S球首、方尾、带有首楼甲板、半平衡舵。它适用于运载煤、矿石和散装谷物，不装载危险货物及甲板货物。其设计满足CSR共同规范及其他最新规范、规则的要求。由于散货船共同结构规范中规定：当船舶的长度超过150 m时，需要应用三维（3D）有限元（FE）分析对船舶货舱区域的主要支撑构件进行直接强度评估。因此，本文主要通过有限元法对其货舱区域的屈服强度、屈曲强度和疲劳强度进行评估，使其在满足规范要求的前提下，结构更加合理，尽可能的减轻船舶的重量，降低造船成本。

1 计算模型

1.1 船舶总布置

图1 船舶总布置图

1.2 船舶主尺度

总长 …………………………229.00 m

垂线间长 …………………………225.50 m

型宽 …………………………32.26 m

型深 …………………………20.25 m

设计吃水 …………………………12.20 m

结构吃水 …………………………14.50 m

方型系数 ……………………………0.878

1.3 模型范围

按照船舶的装载工况，应对船舶的风暴压载舱、轻载货舱和重载货舱进行三舱段有限元分析。根据舱室布置情况，第四货舱为风暴压载舱，第一、三、五、七货舱为重载货舱，第二、六货舱为轻载货舱。对于重载货舱，第五货舱所处的环境最为恶劣，所以我们选择第五货舱进行分析，其他重载货舱可以用第五货舱的分析结果来代替。对于轻载货舱，由于第六货舱上面为燃油舱，第二货舱上面为压载水舱，而且两舱的结构稍有不同，所以不能用第六货舱的结果代替第二货舱的结果，故要对第二和第六货舱分别进行分析。因此，我们需要对第二、四、五、六货舱进行有限元分析。本文以第四货舱为例进行分析。

按照规范的要求，每一个需要进行分析的货舱，其模型范围如下：有限元模型除包括要进行分析的货舱外，还包括其前后相连的货舱及其横舱壁、底墩等。模型的两端应形成垂直的平面，两端面的强框架也应该包括在模型当中，故在计算时，我们只取中间舱的结果进行分析，可减少边界条件对结果的影响。考虑到横向波浪载荷的不对称性，船舶的两舷也要在模型中建立出来。船舶的外壳、双层底内底板、双层底肋板和纵桁、底边舱和顶边舱斜坡板及横框架、横舱壁和纵舱壁及垂直桁和水平桁等这些构件上的扶强材也都要在模型中建出来。具体有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

1.4 单元划分

有限元网格化分时，其尺寸应小于等于纵骨间距或舷侧肋骨间距，其边界应与实际结构的扶强材相近，能够反映板格的真实形状。扶强材要以杆单元或梁单元建模，外壳板、内壳板、舷侧肋骨、双层底肋板、纵桁、强框架、横舱壁等主要支撑构件用壳单元建模，主要支撑构件上的面板以杆单元或梁单元建模。建模时应注意在开孔周围、或肘板连接处和折角连接处等应力变化比较大的区域以及高应力区域尽量不使用三角单元，单元的长宽比不大于4∶1。

1.5 边界条件

有限元建模时，在模型两端的垂直剖面上，位于中心线上中和轴处建立独立的节点。模型后端的独立点约束y和z两个方向上的位移，不约束x方向位移及绕x、y和z轴的旋转位移。模型前端的独立点约束x、y和z方向上的位移及绕x轴的旋转位移，不约束绕y和z轴的旋转位移。模型两端的所有纵向构件节点分别与前后两端的独立点刚性关联，约束x、y和z方向上的位移。具体如图3所示。

图3 边界条件

1.6 计算载荷及工况

按照散货船共同结构规范中的相关规定来确定设计载荷，这些载荷包括静水和波浪中的船体载荷及不同装载工况所引起的载荷。其中设计静水弯矩和设计静水剪力应根据装载手册中给定的值，按照规范中规定的方法修正后得到的包络线图中取得。装载工况应按照规范中强制规定的装载工况执行。这些船体动载荷及船体梁载荷与装载工况载荷等合成很多计算工况，将它们在有限元模型中定义出来。通过对这些工况的分析，进行船体屈曲、屈服、疲劳等方面的评估。

2 强度评估

2.1 屈服强度评估

施加上述边界条件及载荷后，经过有限元分析，得到计算结果。对于平面单元取其中心的Von Mise相当应力为参考应力，线单元（梁或杆）取其轴向应力为参考应力，将参考应力与许用应力对比，进行屈服强度的评估。

如果在有限元模型中，实际结构有开孔的地方没有建立开孔模型，则对该板格的应力需要进行修正。修正的方法应按照实际板的高度与开孔的高度之比来调整剪切应力的大小，然后换算出Von Mise相当应力值，进行比较评估。

Von Mise相当应力可以按照下式进行计算：

有限元计算结果得到的参考应力大小应不超出235 kN/mm2，其中k为材料系数。

对根据初步详细设计的结果建立起的有限元模型进行分析，主甲板、内底板、外底板和舷侧外板等部位一般都能够满足屈服强度的要求，容易出现问题的高应力区域通常在以下几个部位：

1）在双层底纵桁靠近底墩的部位应力较大，板较厚，向舱中间逐渐降低，如图4所示。这是由于靠近舱壁处剪力较大。

2）双层底肋板的应力在同一肋位处靠近底边舱的部位应力较大，板较厚，向中间逐渐降低；从纵向看，则靠近船舱中间肋位的肋板应力较高，板较厚，向首尾应力逐渐降低，板厚减小，如图5所示。这是由于货舱双层底在船宽方向剪力在靠近底边舱处较大，向中间逐渐减小；而在船长方向，弯矩在船舱中间较大。

3）底边舱中的强框也是靠近双层底肋板内侧的应力较大，此处剪力大，向外逐渐减小；沿船长方向舱中间肋位的强框较厚，向前后舱壁逐渐减小，如图6所示。

4）底边舱斜坡板靠近横舱壁的部位应力较大，此处也是由于靠近舱壁剪力较大引起的，如图7所示。

这些不满足应力要求的部位，应通过增加板厚或提高钢材等级的方法加以解决。

图4 双层底纵桁的应力云图

图5 双层底肋板的应力云图

图6 底边舱强框的应力云图

图7 底边舱斜坡板的应力云图

2.2 屈曲强度评估

在屈曲强度评估中，如果有限元的网格模型与实际结构板格的几何形状不同时，应采用将周围网格的单元应力或位移用外插和（或）内插的方法计算出作用于实际板格上的应力和。同时，考虑到泊松效应，在局部或整体载荷应力求和之后应对运用叠加法或直接法计算所得的应力进行修正。通过适当的线性近似，沿所考虑的屈曲板格边缘确定应力分布，板的屈曲和极限强度评估安全因子应取1.0。

根据屈曲强度评估的分析，屈曲不易满足的部位如下：

1）外底板靠近货舱中部由于弯矩较大易出现屈曲，一般通过增加板厚加强，所以外底板通常靠船舱中间部位较厚，向四周逐渐变薄，其屈曲安全因子如图8所示。

2）舷侧外板靠近横舱壁处由于剪力较大，屈曲不易满足，可以采用增加板厚或加强筋的方法加强。

3）底边舱和顶边舱的斜坡板由于离中和轴较远，弯矩较大，易产生屈曲，通常采用增加板厚或加强筋的方法加强。底边舱斜坡板的屈曲安全因子如图9所示。

4）靠近底边舱的双层底纵桁和双层底肋板由于剪力大易产生屈曲，通常采用增加板厚或加强筋的方法加强。

图8 外底板的屈曲安全因子

图9 底边舱斜坡板的屈曲安全因子

这些产生屈曲的板格，其根据应力计算出的板格安全因子大于1，不满足屈曲的要求，需要进行屈曲加强计算，可按照增加板厚或加强筋等方法对板格进行加强，防止屈曲的产生。具体采用的方法要根据空船重量、施工工艺、成本等方面综合考虑。

2.3 主要支撑构件的挠度

为防止产生过大的变形，需对主要支撑构件的挠度进行分析，所分析的货舱双层底与前部（或后部）横舱壁之间的最大相对挠度不应超过此式的规定值：Smax≤i/150。

其中，Smax为所分析的货舱双层底和前部（后部）横舱壁之间的最大相对挠度，mm；i为货舱双层底平坦部分的长度或宽度，mm，二者取小值。

模型的挠度计算结果如图10所示，经计算，满足规范要求。

图10 模型的挠度

3 疲劳强度分析

疲劳评估的区域需要用精细网格进行建模，可采用CCS的建模工具，疲劳评估的热点应力应由整体舱段模型计算得到。疲劳强度评估的部位应包括：船舱中部舷侧肋骨与底边舱和顶边舱接合处、船舱中部底边舱斜坡板与内底板和双层底肋板接合处、靠近中纵剖面底墩与内底板和双层底纵桁接合处、靠近中纵剖面底墩与横舱壁折角点接合处、靠近舷侧主甲板舱口纵梁与顶墩接合处。具体的疲劳评估模型如图11所示。疲劳强度评估按照CSR结构规范的要求，取北大西洋波浪海况，根据有限元计算的应力结果进行疲劳计算分析，疲劳寿命应达到25年。如不满足要求，一般采用增加板厚的方法解决。