基于2012《钢规》的54 000 DWT散货船强度计算

付宇靓，江国和

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

基于2012《钢规》的54 000 DWT散货船强度计算

付宇靓，江国和

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

由于中国船级社(CCS)提出了《钢制海船入级规范》2012版(下文简称2012钢规)，对于船舶结构强度计算的规定进行了系统化更新，为船舶日后的安全设计带来更大的改善和进步。根据2012钢规要求，通过MSC.Patran/Nastran软件对船长195 m的54 000 DWT散货船进行建模及强度计算，讨论和分析不同工况下此船的强度。基于三维有限元分析进行主要支撑构件的直接强度评估，得到船中区域舱段变形和应力情况。通过分析得出，在装卸货物时，对船体的影响尤其严重，故应优化船舶货物的装卸方法。

散货船；强度；装载；有限元分析；规范

0 引 言

随着世界经济的快速发展，各国之间的资源和贸易往来更加繁忙，从而带动了散货船的发展。散货船作为货物的运输载体具有装载量大、运输成本低、易于装卸等优点[1]。各大船级社对于大型、新型的船舶普遍提出利用有限元计算船体结构强度的要求。

中国船级社在2012年出版了《钢质海船入级规范》[2]，更新了很多有限元计算内容。本文以1艘54 000 DWT国内航行散货船为研究对象，以有限元软件MSC.Patran/Nastran[3-4]以及有限元方法为基础，按照2012《钢质海船入级规范》对船体强度进行直接计算。如何才能把营运中的风险降至最低，如何才能提高散货船营运的安全系数，保证人、船、货的安全，延长船舶的使用寿命，这有赖于散货船在装卸高密度货及重货过程中的适当处理[5-7]。因此，本文通过计算不同工况，讨论在装卸货物时的船体强度。

1 建立有限元模型

1.1 船型描述

该54 000 DWT散货船总长199.99 m，两柱间长195.00 m，型宽33.98 m，型深16.50 m，方形系数Cd为0.848 5，共有5个货舱，每个舱长为31.98 m。本船采用CCSA，CCSB级钢，货舱区为单壳、双底结构，肋距为820 mm；强框架间距为2 460 mm；双层底高为1 780 mm。

1.2 货舱模型的建立

利用MSC.Patran软件对舱段进行有限元建模，采用笛卡儿坐标系，原点位于舱段船底中线处，x轴指向船首为正，y轴指向左舷为正，z轴向上为正。计算时只考虑沿船长方向取船中1/2+1+1/2个货舱长度，高度范围取整个型深。模型如图1所示。对于不同的型材，分别采用板单元、梁单元和杆单元3种类型。材料参数包括：弹性模量E=2.1×1011N/m2；泊松比v=0.3；材料密度ρ=7 800 kg/m3。

图1 54 000 DWT散货船舱段有限元模型Fig.1 Finite element model of 54 000 DWT bulk cabin

2 边界条件

在分析结构强度的过程中，为了能够更加接近实际情况，不产生位移，并准确地描述有限元模型的实际应力状态，需要在模型上施加响应的边界条件。2012钢规舱段直接计算中采用应力叠加法，将局部载荷与总体载荷引起的应力分开计算，然后再进行叠加。

纵中剖面内节点的横向线位移、绕纵中剖面内2个坐标轴的角位移约束，即：

δy=θx=θz=0。

有限元模型边界条件如图2所示。

图2 54 000 DWT散货船舱段局部载荷工况边界条件Fig.2 Partial load conditions boundary conditions of 54 000 DWT bulk cabin

3 计算载荷和工况

3.1 舷外海水静压力的计算

当载荷计算点位于水线面以上时，

Phs=ρwg(d1-z) kN/m2；

当载荷计算点位于水线面以下时；

Phs=0 kN/m2。

式中：ρw为海水密度，取1.025×103kg/m3；d1为计算工况下的吃水，m。

3.2 货舱内干散货压力

pCS=ρc(g+0.5av)kbhckN/m2；

式中：ρc为货物密度，103kg/m3；kb为系数，kb=sin2αtan2(450-0.5δ)+cos2α，其中，α为板与水平面的夹角；hc为计算点至干散货上表面的垂向距离，m；av为货物形心处的垂向加速度。

本文按照2012《钢规》要求和散货船装载手册，计算满载工况、压载情况和港口卸载工况。具体计算结果如表1～表3所示。

表1 各个工况下的构件应力(MPa)

表2 各个工况下的构件剪切应力(MPa)

表3 各个工况下的构件变形(mm)

4 结果及分析

本文所计算的7种工况中，LC1～LC3为满载工况，LC4为压载工况，LC16～LC18为港口卸载工况。

表1和表2中数据显示，7种工况下的各构件应力均在许用应力范围之内，满足强度要求。首先对LC1～LC4进行分析，该4个工况下，舱段应力集中易出现在货舱口角隅、肋板以及底纵桁和横舱壁附近的结构处。

将局部载荷工况与总体载荷工况产生的应力线性叠加后进行强度校核。构件的应力不超过相关的许用应力衡准(见表4)。

LC16～LC18和LC2均为轻密度货物(货物密度0.757 7×103kg/m3和0.810 5×103kg/m3)。结合货物分布情况可以看出，LC2的载货总量要大于LC16～LC18，但比对表1可见，LC16～LC18下的应力要大于LC1～LC4的。分析表2数据可以发现，应力变化较大的地方出现在底纵桁、底边舱斜板、舷侧以及强框架处。产生该现象的原因之一是货物的不均匀分布以及吃水的变化使得压强差变大，如图3～图8所示，可以看出，LC16与LC17的i+1，i-1舱在空舱及半舱装载的情况下，i+1，i-1所受应力及变形要小于i舱的；比较LC16，LC17和LC18可以发现，在这3种工况下，i舱的应力大小及分布基本相同，而LC16的i+1，i-1所受应力要大于LC17，这是因为LC17的i+1，i-1为半舱装载，货物压载与舷外水压产生了一定的应力抵消。

表4 最大许用应力

在LC16～LC18工况下，应力及变形变化最大的结构出现在底纵桁和强框架，这是由于货物的分布不均导致双层底的弯矩变大从而使得双层的应力及变形增大，如图9～图14为底纵桁应力及变形分布云图。大型散货船的奇数舱装高密度货物而偶数舱为空舱是较为常用的隔舱方式，这样的装载目的是提高船舶的重心，降低GM值，以减少船舶的摇摆[5]。

图3 LC16舱段应力分布云图Fig.3 Mises stress nephogram of LC16 cabin

图4 LC17舱段应力分布云图Fig.4 Mises stress nephogram of LC17 cabin

图5 LC18舱段应力分布云图Fig.5 Mises stress nephogram of LC18 cabin

图6 LC16舱段变形分布云图Fig.6 Deformation nephogram of LC16 cabin

图7 LC17舱段变形分布云图Fig.7 Deformation nephogram of LC17 cabin

图8 LC18舱段变形分布云图Fig.8 Deformation nephogram of LC18 cabin

图9 LC16底纵桁应力分布云图Fig.9 Mises stressnephogram of LC16 bottom gider

图10 LC17底纵桁应力分布云图Fig.10 Mises stress nephogram of LC17 bottom gider

图11 LC18底纵桁应力分布云图Fig.11 Mises stress nephogram of LC18 bottom gider

图12 LC16底纵桁变形分布云图Fig.12 Deformationnephogram of LC16 bottom gider

图13 LC17底纵桁变形分布云图Fig.13 Deformationnephogram of LC17 bottom gider

图14 LC18底纵桁变形分布云图Fig.14 Deformationnephogram of LC18 bottom gider

5 结 语

由上述分析可看出，在装卸载货物的时候，由于压强差以及由于货物质量分布不均而产生的弯矩影响，使得对船体产生一定的破坏性。在本文的讨论中，LC16～LC18的吃水处于水平状态，而在现实的装载过程中，船舶吃水会随着货物重量的变化而变化，压强的变化也更为复杂，对船体的影响也就更为严重。同时，在不同吃水状况下，装卸方法不同也对船舶的使用寿命和码头的效率有很大的影响。由此可见，适当的装卸货方法将提高船舶的寿命。

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MA Ai-jun,ZHOU Chuan-yue,WANG Xu.Professional tutorials of Patran and Nastran finite element analysis[M].Beijing：Tsinghua University Press,2005.

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[7] 张志民.散货船船体结构损坏分析及强度评估[D].上海:上海海事大学，2006.

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The structural strength assessment of 54 000 DWT bulk carrier based on 2012 rules

FU Yu-liang，JIANG Guo-he

(Merchant Marine College,Shanghai University,Shanghai 201306,China)

Because of the rules for classification of sea-going steel ships 2012 released by China Classification Society(CCS),hereinafter referred as 2012 rules.The requirement for structural strength assessment has been remarkable improved to ensure the reasonable safety level for the design of hull structures.According to 2012 rules, take a 54 000 DWT bulk as an example,take advantage of MSC.Patran/Nastran on modeling and strength calculation,analysis and discuss this ship′s strength under different working condition.Get the ship class period of deformation and stress situation in the area based on three-dimensional finite element analysis for main support component of direct strength. When loading and unloading of cargo，the impact on the hull is particular serious according to the analysis.So the method of loading and unloading should be optimized.

bulk carrier；strength；loading；FEA;rules

2013-09-29;

2013-12-26

上海高校“船舶与海洋工程”一流学科建设资助项目

付宇靓(1989-)，女，硕士研究生，从事船舶动力装置研究。

U663.3

A

1672-7649(2014)12-0034-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.007