多用途船舱口盖强度直接计算研究

王曦

摘要：舱口盖是船舶重要舾装件，在设计过程中，舱口盖的强度问题不能忽视。本文运用MSC.Patran/MSC.Nastran软件对17800DWT多用途船舱盖在风雨载荷和装载集装箱状态下进行有限元计算，并对计算结果分析，验证构件强度满足使用需要。

关键词：多用途船；舱口盖；有限元；载荷；强度

中图分类号：U662.2 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）07-0049-02

舱口盖是船舶重要组成部分，随着船舶大型化趋势的发展，舱口盖面积也越来越大，其强度问题愈加受到人们重视。尤其对于多用途船来说，它不仅密封舱口，保护舱内货物，还对甲板上的集装箱货物起支撑作用。对于其复杂的载荷情况，本文运用MSC.Patran/MSC.Nastran软件对舱口盖结构强度进行有限元计算，分析计算舱口盖构件尺寸及整体结构强度应力分布情况，为类似船舶的舱口盖结构分析提供借鉴。

1 船型及舱口盖概述

1.1 主尺度

总长：156.80米；垂线间长：139.30米；型宽：21.60米；型深：11.40米；吃水：8.30米。

1.2 结构型式

17800DWT多用途船共有五个货舱，每个货舱的舱口盖是由3块盖板组成的钢质风雨密舱口盖。四个货舱舱口盖各块盖板结构近似，每块盖板主要结构由三道纵桁、五道横梁和舱口盖边板组成。

2 有限元模型

2.1 模型范围及建立

本文以17800DWT多用途船舱口盖作为研究对象，由于各货舱盖尺寸及载荷条件相同，因此对第一货舱的舱口盖建立模型，见图1和图2。

2.2 坐标系

坐标系统采用右手坐标系，见图1～3所示，原点位于舱口盖中心端处，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。

2.3 单元网格

有限元模型以板壳单元、梁单元和杆单元为主。

板（shell）单元：模拟主甲板板、舷侧外板、船底外板、横舱壁板，船底纵桁、实肋板，舷侧纵桁、甲板纵桁、强横梁、主肋骨等强构件的腹板以及较大的肘板。

梁（beam）单元：横梁、普通肋骨、舱壁加强筋等结构，以及纵桁、强框架等强构件的面板和肘板的折边等。

杆（bar）单元：模拟支柱、斜杆。

2.4 边界条件

根据纵向及横向限位器的特性，纵向限制其纵向的自由度，横向限制其横向的自由度，支成承块限制其垂向自由度。模型边界条件见图3。

2.5 材料属性

舱口盖结构采用船用钢，材料属性：弹性模量E=2.1x10¹¹Pa，泊松比v=0-3，密度ρ=7.85×10³kg/m³。

3 计算载荷

根据《国内航行海船建造规范》第2篇第2章第20节的要求，直接计算时所采用的舱口盖载荷、许用应力和许用挠度应符合表2.20.9.2的规定。模型中分三个工况。

3.1 风雨载荷工况

风雨载荷采用均布载荷的方式，施加在舱口盖顶板上，工况LCl中，设计所有盖板载荷为17.17kN/m²，模型载荷条件如图4所示。

3.2 20ft集装箱装载工况

工况LC2中，按照布置图进行20ft集装箱受力点进行加载：集装箱每个箱角载荷：F=T/4=48×9810/4=117720N，模型载荷条件如图5所示。

3.3 40ft集装箱装载工况

工况LC3中，按照布置图进行40ft集装箱受力点进行加载：集装箱每个箱角载荷：F=T/4=96×9810/4=235440N，模型载荷条件如图6所示。

3.4 构件重量

模型范围的构件均按舱口盖实际型式模拟，通过设置钢材的密度和重力加速度来实现构件的重量，并直接施加到结构上，见图7。

4 许用应力与许用挠度

根据《国内航行海船建造规范》第2篇第2章第20节的要求，直接计算时所采用的舱口盖许用应力和许用挠度应符合表2.20.9.2的规定。许用正应力、许用剪应力如表3与表4所示。

舱口盖Q235/AH36在装载集装箱工况下许用弯曲应力、许用剪应力、许用挠度如下表2所示。

舱口盖Q235/AH36在设计波浪工况下许用弯曲应力、许用剪应力、许用挠度如下表3所示。

5 计算结果

设置好边界条件和载荷后，对有限元模型进行计算分析，得到了整个模型的应力分布和整体变形情况，将构件一一独立出来，分别得到其的最大应力值及应力分布。这里给出几个典型构件在LC1状态下的应力云图，见图8～11。货舱舱盖主要构件在不同工况下的应力和剪切应力值见表4～6。表中与规定的许用应力值进行对比，模型中各构件的弯曲应力和剪切应力均小于规范要求的最小应力，其变形结果也满足要求，见表7。

6 结论

针对多用途船舱口盖结构和所受载荷的特点，分三种工况对其进行有限元强度分析。依据文献的要求对舱口盖结构建立有限元模型，按集装箱载荷的分布情况，将集装箱载荷以集中力的形式施加到箱角上，模似集装箱作用力。分析有限元计算结果，每一构件的最大计算应力值均小于规范允用值。说明构件的强度满足规范要求。