基于规范设计的散货船货舱结构横向强度分析

李俊来，张吉萍（.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山　36022；2.武汉理工大学交通学院，湖北武汉　430063）

基于规范设计的散货船货舱结构横向强度分析

李俊来1，2，张吉萍1
（1.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022；2.武汉理工大学交通学院，湖北武汉430063）

中小型船舶在横浪作用下横摇会加剧。为保证船舶结构足够安全，就必须对现有规范设计的船舶进行横向强度校核。本文采用MSC.NASTRAN软件，对一散货船在满载和压载两种工况下的横向结构做强度应力分析比较，计算结果表明船体结构能满足横向强度许用要求，为今后散货船规范设计提供借鉴和技术参考。

散货船；横向强度；规范设计；有限元分析

近年来，船舶的发展理论越来越趋于大型化和智能化，船体强度问题往往只侧重关注于船体的总纵强度、扭转强度和局部强度，而忽视了横向强度的影响［1］。船体横向强度是船体结构抵抗横向弯曲的能力。当船体主尺度比较小，船在海浪中航行时，受到水的侧压力、横浪引起的横摇等作用就会加剧，船体横向强度就会成为影响船舶安全不可忽视的因素［2］。船体在水中除了受到总纵弯曲力的作用外，其横向受到水的压力和波浪的冲击力作用，随着水深的增加，水对船体的压力又逐渐增加，所以，船舶下部的横向强度要求更高，此外，船舶在靠离码头，与其他船舶相近航行时，有撞击可能，对舷侧部分的横向强度也有一定要求［3］。因此，对现有规范设计的船舶进行横向强度分析，保证船体结构具有足够的抵抗横向外力的能力就显得非常重要。

1　有限元数值计算

本文以一小型国内航行散货船为研究对象对船体结构进行横向强度分析。本船船体采用CCSA级钢，货舱区域为单壳、单底结构，肋骨间距550 mm，货舱内设有抗扭箱。主要航行于国内沿海航区，用于运输粮食、谷物、各类矿石等散装货物，其主要尺度如下：

总长Loa=52.80 m， 垂线间长Lpp=48.00 m，型宽B=8.80 m，

型深D=4.15 m，设计吃水d=3.525 m，方形系数Cb=0.787 5

1.1有限元模型

利用MSC.NASTRAN&PATRAN有限元分析软件进行计算，建立有限元模型。模型范围为半宽模型，包括船中货舱区的整个货舱，舱段模型的纵向范围从肋位Fr15到肋位Fr80；垂向范围为船体型深。坐标系统采用右手坐标系，原点位于Fr44船底中线处，在x轴向船首为正方向，y轴向左舷为正方向，z轴向上为正方向。有限元模型如图1。

图1　有限元模型示意图Fig.1　The finite element model

1.2边界条件

模型的两端（简称A端和B端）和中纵剖面（CL）均需约束，详细边界条件见表1。

表1　边界条件Tab.1　The boundary conditions

钢材的材料密度：ρ=7.85 t/m3，弹性模量E=2.1×105，泊松比ν=0.3，重力加速度g=9 800 mm/s2。

1.3计算工况和载荷

本次计算考虑了舱内货物压力和舷外水压力的影响，计算工况按照装载手册取压载和满载两种状态进行计算，具体工况和载荷计算如下。

（1）舱内货物压力

舱内干货重量944 t×9 800 mm/s2=9 251 200 N。由于半宽模型，模型加载重量为4 625 600 N。

（2）舷外水压力

（b）水动压力

④水线面以下任意一点的水动压力Phd：

⑤水面以上舷侧水动压力：Phd=PWL-10（z-d1）kN/m2

表2　各工况下的水动压力数值Tab.2　The hydrodynamic pressure numerical value of the working cases

⑥露天甲板上的波浪载荷：Pwdk=PWL-10（zdk-d1）kN/m2模型中各工况下的水动压力数值见表2。

1.4许用应力

根据《船体结构强度直接计算指南》［4］和《国内航行海船建造规范》［5］中关于“船长大于30 m的船舶结构横向强度计算要求”，确定各部位船体结构的许用应力见表3。

表3　各部位船体结构的许用应力值Tab.3　The allowable stress values of the different parts of hull structure

2　有限元计算结果

本计算考虑舷外水压力的作用，在满载和压载两种工况下对船体主要横向结构进行了板单元和梁单元的应力计算，具体结构的单元计算最大正应力和最大剪切应力值见表4和表5。部分结构的计算应力结果云图如图2。

表4　船体具体结构最大应力值比较（N/mm2）Tab.4　The maximum stress value comparison of main hull structure（Units：N/mm2）

表5　船体主要结构最大剪切应力值比较（N/mm2）Tab.5　The maximum shear stress value comparison（N/mm2）

3　分析及结论

通过利用MSC.NASTRAN有限元软件，分别计算了当散货船在受到舷侧水压力、横浪、货物压力以及船体惯性力等横向外载荷作用下抵抗船体横向强度的主要板材和骨架构件的响应情况。分析并校核了船底板、舷侧外板、甲板、强弱框架及肘板等产生的最大相当应力和最大剪切应力，并与规范要求作了对比分析，得到了一些比较有实际参考意义的结论；

（1）参照表4-表5可知，两种工况下，各主要结构的应力均满足规范的许用强度要求；

（2）两种工况中，满载时吃水大，其横向的计算应力也明显要大于压载工况，说明随着船舶吃水的增加，会加大对船体结构横向强度的影响，在设计时一定要考虑对船舶各装载工况中船舶吃水变化引起的横向强度变化，特别是要注意船舶入水部分的横向强度问题；

（3）根据计算结果绘制最大计算应力沿横向各构件位置分布图，如图3。压载时曲线比较平缓，各部分结构的应力值相差不大；但满载时，曲线升降比较剧烈，距离中和轴最远的上甲板的板单元、强弱横框架及肘板、梁单元这三类构件的最大计算相当应力要比其他横向结构大得多，所以在进行规范设计时如果应加大这三类构件的裕度留取，这样可以大大提高整个船体结构抵抗横向强度的能力。

图2　船体主要部位结构应力分布情况（LC1工况）Fig.2　The main hull structure stress distribution（LC1）

图3　船体主要结构横向强度应力比较Fig.3　Transverse stress comparison of main hull structure

［1］谢永和，王伟.散货船横向强度有限元分析［J］.船舶工程，2007，29（6）：33-35.

［2］谢永和，吴剑国，李俊来.船舶结构设计［M］.上海：上海交通大学出版社，2011.

［3］祝波，郭欣.内河散货船横向强度有限元计算分析［J］.中国水运，2013，13（7）：103-105.

［4］中国船级社.船体结构强度直接计算指南［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［5］中国船级社.国内航行海船建造规范［M］.北京：人民交通出版社，2012.

Transverse Strength Analysis of Bulk Cargo Compartment Structure based on the Design Specification Method

LI Jun-lai1，2，ZHANG Ji-ping1
（1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022；2.School of Transportation，WUT，Wuhan430063，China）

Small and medium-sized ships'rolling motion will become more severe under the effect of transverse wave.In order to ensure the safety of ship structure is enough，the existing specification design ship must do checking of transverse strength.Based the finite element method of MSC.NASTRAN，the bulk cargo compartment structure was analysed respectively under two cases（full load case and ballast case）.The results show that the hull structure can satisfy the requirement.It provides important reference for future bulk carrier specification design.

bulk carrier；transverse strength；specification design；the finite element analysis

U662.2

A

1008-830X（2015）04-0358-04

2014-12-10

浙江省工业设计科技项目（2013D40038）

李俊来（1981-），男，浙江武义人，博士，讲师，研究方向：船舶结构与安全.