集散两用货船艉部甲板局部强度有限元分析

汤在义，杜　斌

(扬州市地方海事局,江苏 扬州 225009)



集散两用货船艉部甲板局部强度有限元分析

汤在义，杜斌

(扬州市地方海事局,江苏 扬州 225009)

摘要：集装箱船艉部舱段强度校核是船体结构强度校核中的重要组成部分，船舶发动机等重要装置都分布在艉舱段内。在航行过程中集装箱会垂向震荡，极端情况下会影响艉部结构强度能力并使其结构失效，进而对船舶造成毁灭性破坏。运用有限元软件Patran对78.2 m集散两用货船艉部舱段部分进行建模研究，考虑2种集装箱装载工况：装载重箱以及装载空箱，根据规范要求施加了相关边界条件，并根据规范许用应力要求对计算结果进行了分析，最终计算出来的结果表明本船艉部舱段结构有限元强度能够满足中国船级社的规范要求。

关键词：集装箱船；货船；艉部；结构强度；有限元分析

0引言

随着世界经济全球化的不断发展，国家之间的贸易往来也越来越频繁，集装箱船因其低廉的运输价格、高效的运输方式以及安全可靠性成为目前运输业的首选运输工具。近年来集装箱船快速发展并趋于成熟，为了满足新时代的新要求，现在集装箱船正朝着集约化、大型化、信息化的趋势发展，对于集装箱船的设计来说，这是一次新的挑战。

由于集散两用货船一般采用大量的高强度钢并且航速较快，在船体舱口处容易产生较大的变形，因此，需要重点考虑船体的总纵强度以及疲劳问题。在设计之初必须对船舶结构强度进行校核，使船舶设计满足规范要求。集装箱船艉部作为船舶最重要的部分，因船舶动力装置及其他众多重要设施都汇聚于此，因此必须充分保证其结构的强度及安全性。在有限元软件应用之前，船舶设计人员凭借自身经验对结构进行加强。现在，随着大型有限元分析软件逐渐趋于成熟与完善，使得结构优化更趋于科学化。 本文运用有限元软件Patran对78.2 m集散两用货船艉部舱段部分进行建模研究，参照规范要求研究了2种工况下结构的应力应变情况。

1主要尺度及其他参数

78 m集散两用货船主要尺度：总长78.20 m，垂线间长75.20 m，型宽15.80 m，型深5.80 m，设计吃水4.90 m，装箱量272 TEU。

本船是按吃水4.90 m设计的钢质全焊接结构船舶并且船体结构符合中国船级社的要求。船体结构：艏部、艉部舷侧部分、机舱舷侧均采用横骨架式结构，货舱舷侧、货舱双层底区域、机舱甲板均采用纵骨架式结构；全船肋距为600 mm，中内龙骨及甲板纵桁间距为1 575 mm或1 600 mm，纵骨间距为525 mm，抗扭箱纵骨间距为550、500 mm。结构布置：本船的货舱区域采用双层底结构布置，其高度900 mm，双舷侧、双甲板、边甲板的宽度均为1 600 mm，艏、艉2部分均为单层底、单舷侧，机舱为单层底双舷侧，货舱布置间距为1 800 mm的强肋骨，艏艉及机舱舷侧为强弱交替结构形式，货舱区域舷侧采用主肋骨结构形式。

如图1为集装箱装载模式三维动画模型图。

图1　集装箱装载三维动画模型图

2有限元模型

2.1结构模型

有限元模型的范围：纵向的范围从艉封板到Fr23肋位，宽度方向上的模型范围为整个型宽，高度方向上的模型范围是从距基线1 900 mm处到甲板板。其中，甲板、舱壁以及集装箱底脚垫角等平板板材结构采用2维shell单元模拟单元模拟，甲板上的纵桁及横梁等使用2维shell单元来模拟，面板用1维bar单元模拟；其他小的支柱及骨材等用1维bar单元模拟。有限元模型的材料参数：本船艉部舱段结构采用普通235钢，其弹性模量E=2.06×1011Pa，泊松比v=0.3。坐标系为直角坐标系，船艉指向船首方向为X正方向，Y正方向从左舷指向右舷，垂直向上为Z的正方向。模型长度以及力学单位为m和N。艉部舱段模型见图2、图3。

图2　艉部模型

图3　艉部模型(仰视)

2.2边界条件

边界条件：在艉部舱段的四周限制其移动，在艉部舱段的底部限制其移动与转动。其边界条件如图4所示。

图4　艉部模型边界条件

2.3计算工况及载荷

2.3.1计算工况

根据集装箱装载布置图的说明及实际装载状态，本船需考虑表1中的2种工况。表中，空箱重量2.5 t，重箱重量14 t。

表1　计算工况

2.3.2计算载荷

根据集装箱装载布置的要求，应计算艉部舱段集装箱箱角处的集中应力，但在实际装载过程中集装箱的力不是均匀分布在整个集装箱底部，而是均匀分布于集装箱4个角与艉部甲板接触的箱脚上。根据中国船级社《钢质内河船舶建造规范修改通报》(2015)第14章“结构强度直接计算补充规定”中第7节“局部结构强度计算”的规定，可以计算出2种工况下集装箱箱角处的集中应力。

F1=1 000g(W1+W2)/4

F2=4×1 000gW1/4

式中：F1为工况1集装箱箱角处集中应力，MPa；F2为工况2集装箱箱角处集中应力，MPa；g为重力加速度，m/s2；W1为重箱重量，t；W2为空箱重量，t。

2.3.3载荷加载方式

将各工况下的集装箱载荷加到对应的集装箱底脚垫角处，施加载荷后的模型如图5～图6所示。

图5　工况1艉部甲板箱角集中应力示意图

图6　工况2艉部甲板箱角集中应力示意图

3结果分析

艉部舱段结构最大应力见表2，艉部舱段最大形变见表3。

表中，工况1与工况2板系最大合成应力出现在甲板板上的集装箱垫脚处，梁系最大组合应力出现在甲板纵桁腹板处。工况1与工况2最大变形出现在甲板板上的集装箱垫脚处。

表2　船艉舱段结构应力

表3　船艉舱段最大变形汇总

艉部舱段模型结构应力图以及形变图如图7～图10所示。

图7　工况1合成应力云图

4结论

(1)78.2 m集散两用货船艉部结构在上述2种不同工作载荷下的强度满足规范强度衡准，艉部结构的设计符合规范的强度设计要求。

(2)根据计算结果可知，该船艉部舱段局部结构的最大工作应力出现在甲板处，且最大变形也出现在甲板集装箱箱脚处。

(3)计算分析的过程表明，正确的模型、合理的网格划分、科学的载荷计算、加载方法以及正确的约束条件是有限元计算的保证。

(4)本船艉部甲板局部强度满足中国船级社《钢质内河船舶建造规范》(2012)及《钢质内河船舶建造规范修改通报》(2014)及《钢质内河船舶建造规范修改通报》(2015)第14章“结构强度直接计算补充规定”中的相关要求。

图8　工况2合成应力云图

图9　工况1变形云图

图10　工况2变形云图

参考文献：

[1]初艳玲.超大型集装箱船结构强度规范校核及有限元分析[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

[2]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.

[3]张永昌. MSC.Nastran有限元分析理论基础与应用[M].北京：科学出版社，2004.

[4]中国船级社. 集装箱船结构强度直接计算指南[M].北京:人民交通出版社，2005.

[5]姜桥，夏利娟，刘晓鹏，等. 集装箱船货舱区结构设计和强度评估研究[J]. 海洋工程，2009,27(3):106-111.

中图分类号：U661.43

文献标志码：A

作者简介：汤在义(1972—)，男，助理工程师，主要从事船检工作。

收稿日期：2015-11-04