1 500 DWT散装水泥趸船全船结构强度有限元计算研究

2016-03-18卢永全徐得志任晋宇

造船技术 2016年1期

关键词：全船甲板波浪

卢永全，徐得志，任晋宇

(武汉交通职业学院，湖北武汉 430065)

1 500 DWT散装水泥趸船全船结构强度有限元计算研究

卢永全，徐得志，任晋宇

(武汉交通职业学院，湖北武汉 430065)

摘要该文首先依据原1 700 dwt驳船的结构形式，按照《钢质内河船舶建造规范(2012)》的要求，重新设计改造成1 500 dwt散装水泥转运趸船并确定各构件的尺寸。然后使用MSC.Patran软件建立全船有限元模型，按照新设计的尺寸赋单元属性，按照不同工况下载荷组合不利的原则施加载荷，使用MSC.Nastran软件进行屈服强度分析，计算得到了该船典型工况下的应力分布及变形响应情况。结果表明，采用全船结构强度直接计算的方法是可行、可靠的。

关键词1 500 dwt散装水泥趸船有限元计算结构强度

The Finite Element Calculation on Structural Strength of 1 500 DWT Bulk Cement Carrier

LU Yong-quan, XU De-zhi, REN Jin-yu

(Wuhan Technical College of Communications, Wuhan Hubei 430065, China)

AbstractIn accordance with Rules for Construction of Inland Steel Ships 2012, the 1 700 dwt barge is redesigned and transformed into a 1 500 dwt bulk cement carrier, then sizes of the components are determined. The finite element model of the whole ship structure is established by MSC.Patran. The element property is set up with the redesigned size. Base on the most dangerous load combination in different operating conditions, the load is applied. The yield strength is analyzed by MSC.Patran. Then the stress distributions and deformation responses in typical operating condition are calculated. The result shows that the method of direct calculation on whole ship structure is feasible and reliable.

Keywords 1 500 dwt bulk cement carrierThe finite element calculation

The structural strength

0引言

随着长江黄金水道建设及内河标准化船型的日益推进，内河老旧船舶的改造利用也越来越受到人们的重视。本文选取一艘由1 700 dwt散装水泥驳船(原船)改造而成的内河1 500 dwt散装水泥转运趸船为研究对象，按照《钢质内河船舶建造规范(2012)》(后简称《内规》)要求，重新设计各构件的尺寸。然后使用MSC.Patran软件建立全船有限元模型，按照新设计的尺寸赋单元属性，按照不同工况下载荷组合不利的原则施加载荷[1]，使用MSC.Nastran软件进行屈服强度分析。

1船体模型

1.1主要参数及结构型式

全船主尺度及主要参数如表1所示。

表1　全船主尺度及主要参数

结构型式：1 500 dwt散装水泥趸船，货舱区域为双壳、双层底，船主甲板除艏艉是横骨架外，其它为纵骨架。本船的载货甲板为特殊的流化床结构，且顶蓬甲板前舱范围内有较强的局部载荷式结构。

1.2有限元模型

在本船尺度比中，L/D = 20 <35.0， B/D= 3.77 <7.0，满足CCS《钢质内河船舶建造规范(2012)》第1篇第12章12.1.2.1关于趸船尺度比的要求。本文建立全船结构的三维有限元模型不仅包括货舱区和艏艉段结构的所有有效纵向受力构件：外底板、主甲板、载货甲板、顶棚甲板、底纵桁、甲板板、甲板纵桁、舷侧外板、内舷板、舷侧纵桁及中纵桁等，还包括槽型横舱壁、实肋板、舷侧肋板和甲板强横梁组成的强框架等主要横向结构，除此主船体结构还包括上层建筑结构。模型中按照设计图纸的要求考虑诸如板缝、肘板、开孔、圆弧倒脚和连接等构造细节[2]。

全船结构三维有限元模型如图1所示。取右手直角坐标系；原点取在Fr0(即0站)中纵剖面基线处；x即沿船长方向，向艏为正；y即沿横向，向左舷为正；z即沿垂向，向上为正。

图1　全船模型

全船三维有限元模型共有86 035个节点，127 541个单元，其中包括四边形(Quad)单元89 477个，三角形(Tri)单元3 054个,梁单元(bar)单元35 010个,模型计算的自由度约为464 108。钢材密度ρ=7.85×10-9t/mm3；杨氏模量E=2.06×105MPa；Poisson比ν=0.3。

2计算工况及边界条件

2.1计算工况

本船由装船系统的管道通过控制室实现散装水泥货物的装卸，基本可以避免隔舱装载的情况。因此计算中考虑了满载、半载和空载三种装载状态。根据设计方提供的重量分布数据，由ZCMT程序(外力计算程序)计算得到三种载况下的静吃水分别为2.60 m、1.74 m和0.88 m。按照长江A级航区计算舷外水压力，由于本船顶蓬甲板没有货舱舱口，计算仅考虑半波高为1.25 m的迎浪中拱和迎浪中垂两种舷外水条件。用ZCMT程序计算各载况下的静水弯矩，并按照《内规》计算中拱和中垂的波浪附加弯矩，考虑载荷不利的组合4种计算工况，如表2所示。

表2　计算工况说明

注：Ms1为满载(2.6 m)静水弯矩；Mw(-)为中垂波浪附加弯矩；Mw(+)为中拱波浪附加弯矩；Ms2为半载(1.74 m)静水弯矩；Ms3为空载(0.88 m)静水弯矩。

2.2边界条件

在全船结构的有限元直接计算中，选取合理的边界约束条件对其计算结果的真实性与可靠性起着关键作用。船舶在航行过程中并无约束，因此直接计算对其进行静力分析时，必须施加约束以消除其刚体位移。对于全船计算，常见的约束方式有支座和惯性释放[3]。本文选取采用惯性释放的方法处理边界条件,用结构的惯性(质量)力来平衡外力,去掉支座,消除约束点的反力对变形和应力状态的影响,以便得到更加合理和符合实际情况的计算结果,从而对船舶结构的强度进行更加合理的分析与评估[4]。

3载荷计算与加载

3.1空船载荷

根据提供的空船质量数据，得到20个理论站距上空船质量的分布，将它们分别近似地摊到各站距中主要横向构件的节点上，以集中力的形式施加到模型上[5]，如表3所示。

表3　空船重量加载

3.2货物压载[6]

本船满载时每舱载运500 t水泥货物，半载时每舱载运250 t水泥货物。图2、图3为满载和半载时货物压力等值云图。

图2　满载时载货甲板压力等值图

图3　半载时载货甲板压力等值图

3.3舷外水压力[7]

以等效设计波的概念处理波浪，按照A级航区(半波高1.25 m)的波浪参数，分别考虑了迎浪中拱、迎浪中垂等两种舷外水条件。计算中假设波浪为理想余弦波，波长等于船长(此时应力结果偏于危险)。

满载波浪中垂(工况1)、半载波浪中拱(工况2)、半载波浪中垂(工况3)以及空载波浪中拱(工况4)工况下模型中施加的舷外水压力分别如图4～图7所示。

图4　满载、波浪中垂(工况1)的舷外水压力

图5　半载、波浪中拱(工况2)的舷外水压力

图6　半载、波浪中垂(工况3)的舷外水压力

图7　空载、波浪中拱(工况4)的舷外水压力

3.4装船系统的质量

模型范围内有改造设计中新增的大托架和装船系统。托架质量计入空船质量以惯性力的方式自动施加。装船系统的质量：由于本次计算考虑的是本船在波浪中的航行(非装卸作业)状态，计算中仅考虑装船系统的静载。转运储罐静载40×8=320 kN，旋转机重力225 kN、倾覆力290 kN，并不严格对称。计算中仅考虑转运储罐一侧的重力载荷。

模型中施加的装船系统质量如图8所示。

3.5平衡调整

由于三维有限元模型的简化，以及数值计算所产生的误差，手工的计算与施加载荷不能保证所加的质量载荷与舷外水压力达到精确的平衡。因此对所有的外载荷全部施加完成之后，需对该船舷外水压力进行调整[8]。即调整静水及波浪条件下的平均吃水，使得整个模型中所施加的重力与浮力基本平衡。