多用途船舱口围板变形约束有限元校核技术

王培涛，孙启荣，万冬冬

(南通中远川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

多用途船舱口围板变形约束有限元校核技术

王培涛，孙启荣，万冬冬

(南通中远川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

考虑28 000 DWT多用途船的中间货舱纵向长度过长，舱口围板容易发生变形，为控制舱口围板变形量的大小，在舱口盖与舱口围板顶板接触处设置Semi-fix(有限限制止动系统)来抑制舱口的变形，使舱口围板的变形量始终保持在舱口动作可接受的正常范围内。

多用船；货舱；舱口围板；舱口盖；变形

0 引言

28 000 DWT多用途船是集杂货船、装箱船、散货船为一体的一种新型船舶，可以同时装载杂货、大件、谷物、矿砂、煤、集装箱等不同类型的货物，配备多个克令吊，可自行装卸货物。该船有3个货舱，均为大开口形式，其中2号货舱舱长较长，开口为51.75 m×23.2 m，在特定载况下货舱变形比较严重。货舱开口的变形量大小不仅影响自身的结构，同时也影响其他与其接触或相邻结构。鉴于结构尺寸的特殊性，可以看出Semi-fix的设计对该船来说是十分重要的，对强度方面的可靠性的要求尤为重要，因此要对Semi-fix处进行受力研讨，以满足船舶设计的要求。

本文通过对船体在几种严重的最可能发生大变形的载况下的横倾工况进行有限元计算，分析在各载况下Semi-fix处的受力和货舱的变形量的情况，确定最大的受力，以便能对舱口围板及舱口盖的结构加强起到一定的技术依据。

1 有限元模型

1.1 整体布置图

为了便于对本船特性的了解，可参见图1的整体布置图。

图1 整体布置图

1.2 船体结构和Semi-fix有限元模型

该船模型为整船模型，舱口盖不建入模型中，利用NASTRAN中的线性接触技术，将Semi-fix简化为弹簧模型。Semi-fix沿船体内侧和船体外侧的间隙设置为固定值，其原理是利用迭代约束类方法进行计算，直到间隙收敛为止。模型分析分为2种：

(1)船体发生左倾时，在船体模型舱口围板顶板的4个肋位处分别建立一定刚度系数的弹簧单元，弹簧单元与船体右舷的舱口围板顶板直接连接。

(2)船体发生右倾时，在船体模型舱口围板顶板的2个肋位处分别建立一定刚度系数的弹簧单元，弹簧单元与船体右舷的舱口围板顶板直接连接。船体模型如图2所示，Semi-fix图形如图3所示。

图2 船体模型

图3 Semi-fix图形

1.3 有限元模型的边界条件

在船体模型尾部的上甲板中心处将X、Y方向的移动约束，在其截面的外板两舷处加上平衡力；将船体模型部分截面上的顶端的2个在端部的点的Z方向约束，并在它们截面的两舷的外板上加上平衡力；将船体模型的Fr238的截面上的上甲板中点处的Y方向约束，将截面的上甲板的两端部的Z方向约束并在截面的外板两舷处加上平衡力。边界条件如图4所示。

图4 边界条件

2 载荷选取及其组合工况

2.1 计算工况

根据船体的受力情况，考虑在港和航行的波浪外压、装货量的多少和集装箱相互叠加产生的载荷，选取了几种最严重的最可能发生大变形的载况对模型进行加载计算。

情况1：载况在船舶满载吃水的状态下，1号、3号货舱装货最少，2号货舱的货物比较多，2号货舱双层底受到货物的压力向下变形，继而引起2号货舱的双舷侧向内压缩。船体在波浪中向左30°横摇，船体2号货舱双舷侧受到水压向内压缩，并且船体向左倾斜，导致集装箱产生向左载荷。因集装箱是装在舱口盖上的，2号货舱舱口盖与船体的右侧固定连接，左侧是活动的Semi-fix，所以当船体发生左倾时，集装箱产生的向左的载荷会使2号货舱两舷侧的舱口向内压缩。

情况2:在船舶满载吃水的状态下，2号货舱装货最少，当受到水压时，2号货舱向内变形比较严重。船体在波浪中向左30°横摇，集装箱载荷会使2号货舱两舷侧的舱口向内压缩。

情况3和情况4：在船舶满载吃水的状态下，1号、3号货舱装货最少，2号货舱的货物比较多，2号货舱双层底受到货物的压力向下变形，继而引起2号货舱的双舷侧向内压缩，船体在波浪中发生向左(情况3)和向右(情况4)的斜浪，导致集装箱产生向左(情况3)和向右(情况4)载荷，集装箱产生的向左(情况3)的载荷会使2号货舱两舷侧的舱口向内压缩，集装箱产生的向右(情况4)的载荷会使2号货舱两舷侧的舱口向外扩张，情况3和情况4属于组合情况。

这4种情况是2号货舱典型的受力载况。计算工况见表1，斜浪的组合见表2。

表1 计算工况

表2 组合载况概要

2.2 集装箱载荷计算

集装箱是装在货舱的舱盖上的，船体在海中遇到各种各样的风浪时，船体会发生前倾、后倾、横摇等，这里主要考虑船体在左倾和右倾时，集装箱对舱

口围板处产生的力。计算集装箱对船体产生的载荷时需考虑盖板的自重和盖板上集装箱的载荷，具体载荷如图5所示。集装箱是直接作用在舱口盖上的，当船体发生左倾时，集装箱载荷作用的方向即指向船体左舷的方向；当船体发生右倾时，集装箱载荷作用的方向即指向船体右舷的方向。

图5 1号、2号、3号货舱集装箱载荷

3 Semi-fix的支反力和舱口盖的变形

3.1 Semi-fix的支反力

根据有限元计算结果可以得出Semi-fix处的支反力，即弹簧单元的轴力。弹簧单元都是与船体右舷的舱口围板顶板直接连接，当船体货舱舱口收缩时，收缩量超过设计间隙的时候，弹簧单元就会受到压缩，即产生压缩轴力。当船体货舱舱口扩张时，扩张量超过设计间隙的时候，弹簧单元就会受到拉伸，即产生拉伸轴力。3.2 舱口盖的变形

模型中的弹簧单元相当于是2号货舱舱口盖的简化，弹簧单元的拉伸和压缩也就是舱口盖在此处的拉伸和压缩，舱口盖变形结果在此就不一一列举，此处给出舱口盖最大压缩变形的模型截图，如图6所示。

图6 舱口盖变形图(2号货舱 情况3)

4 结论

本文提出了一种计算线性接触的方法，利用该方法对Semi-fix的受载情况进行有效的组合并进行有限元计算，得出Semi-fix处的最大受力及最大变形量。根据最大受力及最大变形量为舱口盖的强度设计提供了可靠的依据，同时也为舱口围板强度设计和二甲板的设计提供了可靠的依据。Semi-fix处的受力及变形的研讨对船舶的性能是很有必要的，可以保证在舱盖的右侧使用固定限制系统时，双壳变形不会影响舱口盖的压紧条、滚轮和轨道的宽度；可以保证在港状态时，舱盖向外的移动不会侵占左舷上甲板行走通道的空间，向内的外移动不会使舱盖无法打开或关闭；可以保证航行状态时，舱盖向外的移动不会与左舷吊机干涉或货舱向外的变形不会使二甲板滑落；可以保证货舱向内的变形不会导致二甲板舱盖与双壳和横舱壁接触；可以保证在港状态时，舱盖的移动不会影响二甲板舱盖的顺利吊离和吊装；可以保证舱口盖移动时不会影响货舱的密封性。综上所述，这种线性接触的方法对船舶及舱口盖设计有着十分重要的意义。

[1] 罗旭，赵明宇. Femap&NX Nastran基础及高级应用[M].北京：清华大学出版社，2009.

2013-09-03

王培涛(1990-)，男，助理工程师，主要从事船舶结构设计；孙启荣(1968-)，男，高级工程师，主要从事船舶结构设计；万冬冬(1984-)，男，工程师，主要从事有限元分析。

U661.43

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