基于有限元模型的舱口盖设计案例分析

奚榕

【摘要】本文结合8000DWT多用途集装箱船舱口盖的设计案例，通过建立有限元模型，设定边界约束条件，对舱口盖盖板的临界屈曲应力、普通骨材的带板屈曲应力、主要支撑构件腹板屈曲应力、许用桡度等重要设计参数进行了精确计算，利用有限元模型进行分析，最终，论证了本船的舱口盖的设计满足规范要求。

【关键词】有限元模型；舱口盖；设计；屈曲应力；设计参数；许用桡度

引言

有限元分析模型通过利用数学近似的方法模拟集装箱船舱口盖的物理系统。还利用简单而又相互作用的元素，例如舱口盖盖板的临界屈曲应力、普通骨材的带板屈曲应力、主要支撑构件腹板屈曲应力、许用桡度等，通过有限数量的未知量模拟无限未知量的真实系统，具有较高的逼真性。本文将对基于有限元模型的舱口盖的设计展开具体探讨与论述。

1、舱口盖概况

本套舱口盖适用于8000DWT多用途集装箱船。Lbp=112.8m，D =8.20m，航速=12.2kn。本舱口盖的结构形式采用了纵横结构形式，短横梁承受的负荷，传递到强纵桁上，强纵桁再通过强横梁传递到两端的支承，最后将力传递到甲板舱口围上。舱口盖四周设置快速压紧器，把舱口盖系固在舱口围上，并设置横向和纵向掣档块，防止舱口盖移动。舱口盖与舱口围之间采用密封橡皮保证水密，舱口盖与舱口盖间采用橡皮与不锈钢压条保证其水密，并设有流水槽进一步确保水密。

2、有限元模型

本次计算是基于净厚度的有限元计算方法，见图1中的NO.1（NO.2舱同NO.1舱），NO.3舱模型。舱口盖的外板、桁材按普通骨材间距划分为四边形板单元，角钢型材和纵桁面板作为梁单元，强骨材（纵桁及强横梁）面板简化为平板梁单元。

3、屈曲应力计算

3.1舱口盖盖板的临界屈曲应力计算

（1）对于平行于扶强材方向的主要支撑构件弯曲引起的舱口盖盖板的压应力σ，应不超过临界屈曲应力σc1的0.8倍，σc1應按照下式计算：

（2）对于垂直于扶强材方向的主要支撑构件弯曲引起的舱口盖盖板的平均压应力σ，应不超过临界屈曲应力σc2的0.8倍，σc2应按照下式计算：

3.2普通骨材带板的屈曲应力计算

对于平行于扶强材方向的主要支撑构件弯曲引起的舱口盖扶强材的带板正应力σ，应不超过临界屈曲应力σcs的0.8倍，σcs应按照下式计算：

3.3主要支撑构件腹板屈曲应力计算

主要支撑构件腹板板格的剪切应力τ应不超过临界屈曲应力τc的0.8倍，τc应按下列公式计算：

3.4许用桡度

（1）承受波浪载荷的主要支撑构件的垂向位移应不大于μlmax。其中：（P1-1～P1-8）最大跨距为15.380m，μ为0.0028，许用桡度为43mm；（P3-1～P3-8）最大跨距为15.380m，μ为0.0028，许用桡度为43mm。

（2）承受集装箱载荷的主要支撑构件的垂向位移应不大于μlmax。其中：（P1-1～P1-8）最大跨距为15.380m，μ为0.0035，许用桡度为54mm；（P3-1～P3-8）最大跨距为15.380m，μ为0.0035，许用桡度为54mm。

4、有限元分析

5、结论

本次舱口盖的设计中，在用规范公式直接进行设计时为了满足桡度的要求，只能普遍增加盖板下的骨架以增强刚性，结果导致结构尺寸和重量都很大。原因在于规范公式的出发点是每根构件“单独”变形，进行了偏于安全的简化。事实上纵横交错的骨架和板材相互支撑，存在优化的空间。本文借助有限元分析工具，进行重点区域的针对性加强，与不加区分地增加构件尺寸相比，这种措施达到了既满足强度和变形要求，又减轻结构重量的满意效果。最终，本船的舱口盖的设计满足规范要求。

参考文献

[1]邵天骏.舱口盖参数化建模程序设计[J].世界海运，2011（02）

[2]某型援潜救生船的月池舱口盖设计[J].水运工程，2012（05）