7 200 dwt江海直达船舱口盖直接设计

金义会， 杨秀勇

(1.台州市港航管理局， 浙江 台州 318000； 2.浙江海洋学院， 浙江 舟山 316022)

7 200 dwt江海直达船舱口盖直接设计

金义会1， 杨秀勇2

(1.台州市港航管理局， 浙江 台州 318000； 2.浙江海洋学院， 浙江 舟山 316022)

采用MSC软件对一艘7 200 dwt江海直达散货船舱口盖结构进行了有限元计算分析，得到舱口盖在设计波浪载荷作用下, 舱口盖应力与变形的分布情况，并通过CCS-Tool完成了屈曲强度校核，经加强后使舱口盖结构满足屈服与屈曲强度要求。同时，提出了舱盖直接设计的注意事项，为今后舱口盖设计提供一些参考。

散货船 舱口盖 屈服强度 屈曲强度

1 引言

江海直达运输因减少了中间环节，降低了货物损耗，大幅缩减运输成本而深受船东和货主的亲睐。舱盖作为货船的主要设备之一具有多种型式，其中现代货船的折叠式最为广泛。随着货舱盖尺寸不断增大，承受载荷也随之增加。舱盖不仅要保证在波浪和风雨载荷作用下的密性，还需确保在各工况下的刚性与强度，防止舱盖过渡变形或破坏，致使舱盖无法正常开启或关闭等现象出现。因此舱盖越来越受到船级社、船东和船厂重视。本文就一艘无限航区7 200 dwt江海直达散货船，参考《钢质海船入级规范》(2009)(以下简称规范)要求，应用有限元法对其结构强度及刚度进行设计校核与优化，使其在相对较小的结构尺寸下满足规范要求。

2 主要参数

7 200 dwt江海直达船总长140.0 m，型宽16.60 m，型深7.20 m，设计吃水5.00 m。共有4个货舱，第1货舱盖尺寸为19 840×13 130 mm，第2～4货舱盖相同，尺寸为20 490×13 130 mm。舱盖采用钢质风雨密液压折叠式，每一个货舱盖由4块盖板组成，盖板结构主要由5道纵桁(腹板8 mm，面板10 mm)、8道强横梁(腹板12 mm，面板28 mm、20 mm)、1块舱口顶板(10 mm)、4块舱口盖边板(10 mm)和1组横梁(L125×80×8)组成。舱盖主要构件采用CCS-AH32钢，横梁采用CCS-A钢建造。

3 有限元模型

本文使用MSC.PATRAN/NASTRAN有限元软件进行建模与计算分析，选用右手坐标系，X轴沿舱口长度指向船艏，Y轴沿舱口宽度指向左舷，Z轴沿舱口高度朝上。模型包括舱盖的顶板、纵横桁材、边板及横梁等构件，顶板单元网格大小参考纵横构件间距，接近正方形布置，桁材腹板高度方向使用采用3个单元，结构以净尺寸(扣除2mm腐蚀余量)，采用壳元与梁元模拟，弹性模量E= 2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.30，密度ρ=7.85×10-9t/mm3，重力加速度g=9 810mm/s2，第1货舱盖详见图1，第2～4货舱盖结构相同且与第1货舱盖相似。

图1 第一货舱舱口盖有限元模型

4 边界条件、工况载荷与许用衡准

根据舱盖布置图中纵横向限位器及支承块的特性，可知纵向限位器限制其纵向线位移，横向限位器限制其横向线位移，支承块限制其垂向线位移，端铰底座和油缸铰链处限制纵向与垂向线位移，铰链处设置垂向位移刚性关联[3]，如表1所示。

表1 边界条件

根据文献[3]， 对于载重线船长为100 m以上的散货船，干舷甲板上的舱口顶板上的压力P应按式(1)计算，且不小于34.3kN/m2。

P=34.3+[14.8+a(LL-100)]

式中：LL为取载重线船长，136.20m；x为舱口盖板格中点至LL前端的纵向距离；a为属于B型干舷船舶，取0.0726。

设计波浪载荷如表2所示。

表2 顶板设计波浪载荷

设计波浪载荷许用正应力、剪应力如表3所示，舱盖顶板、纵桁、强横梁采用CCS-AH32，ReH=315MPa，横梁采用CCS-A，ReH=235MPa，l为舱盖横向跨度，13.12m。

表3 许用衡准

5 计算结果

舱盖各主要构件的应力具体计算结果如表4、表5所示，由于舱盖2与舱盖1结构上相似，计算云图仅显示第1舱盖(见图2～图5)，变形云图如图6所示。

表4 第一货舱舱盖主要构件应力结果

表5 第二货舱舱盖主要构件应力结果

图2 第一货舱舱盖顶板Y方向应力云图

图3 第一货舱舱盖横梁Y方向应力云图

图4 第一货舱舱盖纵桁Z方向应力云图

图5 第一货舱舱盖梁元轴向应力云图

在满足屈服强度的条件下，舱盖稳定性也需进行校核，本文采用CCS-Tool工具对舱口盖的顶板、强横梁腹板、纵桁腹板进行屈曲强度评估。由于结构左右对称，评估仅取左舷，校核时扣除了腐蚀余量2 mm。经过加强后，舱口盖满足屈曲要求，屈曲因子如表6所示，结果如图7～图9所示。

表6 舱盖最小屈曲因子计算结果

图6 第一货舱舱盖变形图

图7 第一货舱舱盖顶板屈曲强度结果

图8 第一货舱纵桁腹板屈曲强度结果

图9 第一货舱舱盖强横梁腹板屈曲强度结果

6 加强措施

第1货舱舱口盖1-2、1-3顶板从船中至距船中第一道纵桁之间区域板厚由10 mm加强为11 mm(图10中深色区域)，加强时注意焊接工艺要求。并在该区域内，沿船长方向中纵桁与第一道纵桁中间加设间断8×100的扁钢以满足屈曲强度。第2～4货舱舱盖，在图中对应区域内，加设间断8×100的扁钢。

7 分析与结论

(1) 舱口盖结构屈服与屈曲强度均小于许用值，符合规范要求。

(2) 舱盖主要构件正应力与剪应力值都较大，结构设计较合理。

(3) 由于舱盖四周都有相应约束，中部自由度大，结构变形与应力值也大。中部结构虽能满足屈服强度，但也不能忽视屈曲强度，在不能满足时，可局部增加板厚或加设扁钢。若增加量较大时，需考虑重新设计。

(4) 舱盖横向跨度较大，对挠度要求较高，设计时常采用局部升高强横梁腹板、加厚面板的方式。本设计中采用等高腹板，但面板厚度较腹板厚度大，并在两端减薄，这样既满足了结构强度要求，也适当减轻了结构重量。

(5) 考虑到艏部上浪问题，规范对距离船艏LL/4的舱盖载荷要求较高。因此设计时应明确舱盖中心所在位置，并适当增加该区域内舱盖的强度。

图10 结构加强图

[1] 陈铁云，陈伯真.船舶结构力学[M].上海:上海交通大学出版社,1990.

[2] 刘冰山, 黄冲.Patran 从入门到精通[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2003.

[3] 中国船级社.钢质海船入级规范[M].北京:人民交通出版社,2009.

[4] 张玉莲.考虑腐蚀影响与屈曲强度的液压折叠式舱口盖结构优化[J].船舶力学，2009，13(5)：757-760.

[5] 刘俊梅，黄永生.散货船有限元法舱口盖结构优化设计[J].中国水运，2012，12(4)：3-4,7.

The Direct Design of Hatch Cover in 7 200 dwt River-to-sea Ship

JIN Yi-hui1， YANG Xiu-yong2

(1.Bureau of Port Management, Taizhou Zhejiang 318000, China;2.Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316022, China)

Base on MSC software, the hatch cover structure of a 7 200 dwt river-to-sea ship is analyzed by FEM. The distribution of stress and deformation of hatch cover under the alternating action of designed wave force is obtained, its yield strength and buckling strength are checked and enhanced based on CCS-tool. At the same time, the notices in directly designing the hatch cover are proposed. The result can provide a reference for the future design of hatch cover.

River-to-sea ship Hatch cover Yield strength Buckling strength

7 200 dwt江海直达船舱口盖设计优化国际合作项目(2012DFR80170)。

金义会(1979-)，男，验船师。

U662

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