800PCC内河商品汽车运输船总纵强度计算研究

2016-03-18刘玉智

造船技术 2016年1期

关键词：主甲板惯性矩模数

刘玉智

(上海佳豪船舶工程设计股份有限公司，上海 201612)

800PCC内河商品汽车运输船总纵强度计算研究

刘玉智

(上海佳豪船舶工程设计股份有限公司，上海 201612)

摘要以一艘800PCC内河商品汽车运输船为例，分别通过规范计算和有限元分析两种方法，详细介绍了内河船总纵强度计算时应注意的问题。

关键词总纵强度联合剖面模数有限元结构分析屈服分析屈曲分析

Research on Longitudinal Strength Calculation for 800PCC River Car Carrier

LIU Yu-zhi

(Shanghai Bestway Marine Engineering Design Co., Ltd., Shanghai 201612, China)

AbstractBased on a 800PCC river car carrier as an example, through two methods of RULES calculation and finite element analysis respectively, this article introduces in detail the problems that should be paid attention to the global longitudinal strength.

Keywords Longitudinal strengthUnite section modulusFinite element structural analysisYield analysisBucking analysis

0引言

近年来，随着内河运输的成熟发展和汽车贸易的蓬勃，内河商品汽车运输船的需求不断增加。

内河船结构设计的主要依据是《钢质内河船舶建造规范》(以下简称《内规》)，内河规范与海船规范是完全两套不同的体系，随着近几年内河船舶的大型化，内规也不断地调整与修改，因此在设计过程中，要对内规充分理解，灵活运用，才能使结构设计更为合理，减轻重量。在整个船体结构设计过程中，总纵强度的校核是关键的一步，因为首先我们要保证整个船体梁在水中强度是足够的，安全的，然后再去考虑船体各个部分的局部强度才有意义。

本文以800PCC内河商品汽车运输船为例，分别通过规范计算和有限元分析两种方法，详细介绍内河船总纵强度计算时应注意的问题。

1船舶概况

本船型的主要参数如下。

总长： 110 m；

垂线间长： 103.8 m；

型宽： 18.8 m；

型深： 5.2 m；

结构吃水： 3 m；

方型系数： 0.627；

船级符号： ★ CSAD 滚装货船，A、B、C级航区；

J2 级急流航段,★ CSMD BRC；

典型横剖面图如图1所示。

图1　典型横剖面图

2总纵强度规范计算

规范要求船舯最小剖面模数W0=aK1K2L2B=1.37×104cm2·m。

式中：K1,K2为修正系数，K1=(1 053+32.8L-0.138L2)×10-3, K2=1。

本船主甲板即强力甲板，只计算主船体本身的剖面特性的话，主甲板的剖面模数W=0.995×104cm2·m,对水平中和轴的惯性矩I=2.95×104cm2·m2,无法满足最小剖面模数及剖面惯性矩的要求。通常遇到这种情况，我们采取的方法是加大主甲板处的构件尺寸，但是对于此船，由于惯性矩要求差距太大，采取这种方法将使主甲板处的构件尺寸与整个主船体很不协调，且船体重量将增加很多。

针对这种情况，由于本船是汽车滚装船，主甲板上面几层甲板也都是全船贯通的，首先考虑将主甲板上面一层甲板作为强力甲板，但对于本船，此种方案是行不通的，原因有两点：(1) 内河规范要求强力甲板与干舷甲板之间的舱壁与干舷甲板下横舱壁在同一平面内，本船干舷甲板上面装载车子，船东要求全通，不允许有任何舱壁的存在。(2) 干舷甲板与最近上层甲板之间的舷侧设置有两个车可通行的舷门和一个车可通行的跳板门，这样，舷侧开孔纵向长度大于船长的10%。基于这两点，主甲板上层甲板作为强力甲板是不可行的。

根据内规要求，当强力甲板以上设有有效长度大于0.4 L的一层或一层以上的连续钢质上层建筑时(或甲板室)，最下一层上层建筑(或甲板室)的甲板及其纵向连续构件参与总纵弯曲，可根据规范计算强力甲板边线和平板龙骨处的联合剖面模数[1]。但当最下一层上层建筑(或甲板室)侧壁上的开口纵向长度大于侧壁长度的20%时，则上层建筑(或甲板室)不计入总纵强度剖面模数计算。因此为了将主甲板上面一层上层建筑考虑进去，就要保证主甲板上面一层上层建筑侧壁上的开口纵向长度不大于侧壁长度的20%，在此基础上计算强力甲板边线和平板龙骨处的联合剖面模数及联合惯性矩。

图2　带上建的典型横剖面图

这里特别需要注意的是在计算联合剖面模数及联合惯性矩时坐标系的选取问题。在《钢质内河船舶建造规范》里，看不出坐标系的选取有何特别之处，计算联合剖面模数及联合惯性矩时坐标系的选取是有特殊规定的，以主甲板与船中线交点为坐标原点，Z轴向下，如图2所示。按照这样的坐标系计算，计算结果如表1所示。

表1　联合剖面模数及惯性矩计算

从表中可以看出甲板联合剖面模数及联合剖面惯性矩分别为W=1.83×104cm2·m, I=4.72×104cm2·m2,而主船体本身最小剖面模数及剖面惯性矩分别为W=0.995×104cm2·m,I=2.95×104cm2·m2, 剖面特性显著增加。船体梁船舯最小剖面模数及剖面惯性矩要求分别为：W=1.37×104cm2·m,I=4.22×104cm2·m2,充分满足了规范要求。

3总纵强度有限元计算

根据中国船级社《钢质内河船舶建造规范》要求，当船舶主体纵向结构在中部0.6L范围内突变且船长≥80 m时，应按照第14章的规定校核船体总纵强度及结构突变区域的强度。对该船进行有限元总纵强度计算分析，并对船底板、内底板、舷侧外板、纵舱壁、双层底纵桁等纵向主要构件进行屈曲强度校核。

3.1模型范围

根据《内规》要求，计算时一般应采用强力甲板及以下部分的舱段模型或者整船模型，考虑到上层建筑重量及其甲板车辆载荷施加，本次计算模型包含强力甲板以上上层建筑；根据《内规》要求，其中当突变剖面或载荷集中区域位于船体中部时，取以突变剖面或载荷集中区域端界向艏艉端各延伸至邻近的横舱壁且不少于3倍型深的舱段作为有限元分析模型。本次计算模型纵向范围为：FR20~FR118；横向范围取全宽；高度方向取自基线至G甲板。有限元模型如图3所示。

图3　总纵强度有限元模型属性示意图

3.2边界条件

对于中部舱段有限元模型，在两端面中和轴与中纵剖面交点处各建立一个独立点N1、N2，端面上的各节点与独立点进行刚性关联。在独立点N1、N2上分别施加线位移约束：u1x= u1y= u1z=0和u2y=u2z=0；在独立点N1、N2上施加角位移θ1x=θ2x=0[1]。

3.3计算工况

根据内规要求，加载模型，模拟工况。

3.4屈服校核

船中处总纵强度计算结果如表2和表3所示，应力云图如图4和图5所示。计算结果很理想，基本不需改变原规范计算的尺寸规格。

表2　码头装载工况计算结果汇总表(LC7~LC9)

表3　航行工况计算结果汇总表(LC1~LC6_2)

注：网格小于标准网格大小，结果为相应区域平均值。

图4　航行工况A甲板、B甲板、C甲板、外板、纵舱壁、船底纵桁应力云图

图5　航行工况横舱壁、双层底实肋板应力云图

3.5屈服校核

根据《内规》第1篇第14章第4节要求，采用有限元方法计算总纵强度时，需校核船体梁的强力甲板、船底板、内底板、舷侧外板、纵舱壁和双层底纵桁等纵向主要构件的屈曲强度[1]。

各种计算工况的有限元计算结果，在强力甲板或船底板船长方向最大中面压应力区域处，选取由两纵骨(或横梁)和两强横梁(或纵桁)所围的板格，或两实肋板(或底肋骨)和两纵骨(或纵桁)所围板格进行板的屈曲强度计算。计算由中国船级社板格屈曲分析插件完成。

根据装载手册，本船没有中垂，只有中拱，因此中和轴以下的板格承受压应力较大，容易产生屈曲。实际计算中发现，船底板的屈曲有很大问题，很难满足，如果通过增加板厚来满足，板厚增加较多，不经济。采用在强肋板之间增加横向屈曲筋(见图6)，可以在增加很少钢料的情况下满足规范要求。还有内壳板的屈曲计算也不满足，内壳板最下列板加厚，紧临最下列板的板格增加屈曲筋，具体如图7所示，修改后的内壳板屈曲计算满足规范要求。