纵向桁架对甲板货船总纵强度的影响分析

朱峻

摘要：本文应用有限元软件分析，对只设支柱、双（单）向纵桁架、纵舱壁等3种结构型式进行计算比较，得出了纵向桁架对船体梁总纵弯曲应力、弯曲刚度及横向构件强度的影响。

关键词：总纵强度；纵向桁架；有限元分析

中图分类号：U661.43 文献标识码：A 文章编号：1006--7973（2016）05-0042-02

近年来，受国内填海工程的影响，沿海、沿江兴起了一股建造甲板货船的热潮，以江苏扬州为例，2014、2015两年间建造的甲板货船接近50艘，其中不乏“146M近海自航甲板货船”、“113.9M近海多用途甲板货船”等大型甲板货船。纵向桁架作为一项重要的结构设计，被广泛应用于此类船舶中。桁架是指由直杆在端部互相连接而成，各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。桁架以其结构形式简单、力学特性好、节省钢料、便于施工等优点，受到船舶领域，尤其是甲板货船等大长深比船舶的青睐。

船舶在航行过程中，船体梁会处于中拱或中垂状态，船体结构中的纵向桁架会整体受到弯曲的作用。而传统的船舶等值梁强度理论只能考虑纵向构件对总纵弯曲的影响，未能计人纵向桁架对总纵弯曲的贡献。本文应用有限元软件分析，对只设支柱、双（单）向纵桁架、纵舱壁等3种结构型式进行计算比较，重点讨论和研究了纵向桁架对船体梁总纵弯曲应力、弯曲刚度及横向构件强度的影响。

1.计算模型主尺度及构件布置

船长：L=100.0m；船宽：B=16.0m；型深：D=4.0m；

吃水：d=3.0m；主尺度比：L/D=25.0；B/D=4.0

全船为纵骨架式；龙骨、纵桁间距为4.0m；横向强构件间距为2.0 m；横舱壁间距24.0m；纵骨、扶强材间距为0.5m。

2.模型单元类型、边界条件及载荷

2.1有限元单元类型

根据结构的实际受力状态将模型中的各类结构按建造厚度离散为下列几种类型：

板壳元：甲板、舷侧外板及船底板、内底板、纵舱壁及横舱壁等。

梁元：纵桁、横梁及水密舱壁扶强材、舱壁桁材等，所有梁元都计及偏心。

杆元：支柱、斜撑等。

2.2边界条件

为排除刚体位移，在船体首尾节点上施加6个线位移约束，

首端节点1：施加纵向、横向、垂向线位移约束，即；u2=uy=u2=0；

尾封板节点2：施加垂向线位移约束，即u=0；

尾封板节点3：施加横向、垂向线位移约束，即uy=u=0。

2.3载荷及载荷施加（图1）

（1）为计算准确方便，构件自重作为载荷施加。

（2）总排水量40%的荷重按均布载荷施加，总排水量60%的荷重按三角形载荷施加。

（3）舷外水压力按静吃水施加在船体湿表面上。

（4）船体梁跨中弯矩（坐标原点在左端，弯矩关于舯剖面对称）：

3.有限元计算结果

采取沿船宽方向间隔4.0m，分别设置纵向支柱、单向桁架、双向桁架及纵舱壁等结构，计算各种结构形式下的总纵弯曲应力及主要构件应力的情况，并比较它们之间的差异，见表1。为便于比较分析，在等值梁模型中使其各种结构形式的强力甲板的应力恰好等于137.0MPa。

（1）桁架对甲板板弯曲应力影响的比较，见表2。

（2）桁架对横向强构件支撑作用的比较（以实肋板应力为比较对象），见表3。

（3）桁架对总纵弯曲挠度作用的比较，见表4。

4.计算结果分析和讨论

（1）纵向桁架（或纵舱壁）的设置可十分有效地改善船体梁断面的应力分布，降低应力峰值。当设置间距不大于4.0 m的纵向桁架（或纵舱壁）时，甲板（船底）断面的应力分布基本是均匀的。此时有限元计算的强力甲板沿船长方向最大应力与“等值梁”方法计算的弯曲正应力基本相等。（图2-图4）所示。

（2）在两横舱壁或两舷之间设置连续的纵向双斜杆桁架可等效舱壁，其支柱可作为与其连接的纵、横向强构件（甲板纵桁、龙骨，强横梁、实肋板）的刚性支撑。单向桁架对纵横强构件的支撑作用较差，其支撑效果相当于双向桁架（纵舱壁）的50%-60%，所以单向桁架不能视为强构件的刚性支撑。支柱不能等效设置斜杆的桁架，且主船体内的支柱不能作为强构件的刚性支撑。

（3）设置纵向桁架可增强船体梁的弯曲刚度，降低弯曲应力。计算表明设置间距不大于4.0m的纵桁架时，可使船体刚度增加13.5%左右（设纵舱壁可使刚度增强23%左右），使总纵弯曲应力降低10%左右。