近海供应船双层底开孔结构强度分析

王 中 华

（中国船级社规范与技术中心，上海 200135）

近海供应船双层底开孔结构强度分析

王 中 华

（中国船级社规范与技术中心，上海 200135）

以载运大比重液货近海供应船为研究对象，采用直接计算对其双层底开孔结构强度进行分析，以验证是否能同时满足CCS《钢规》和IBC Code中对双层底开孔尺度的不同要求。经有限元建模直接计算校核，结合规范条文，得出满足船舶结构强度要求且适度的开孔尺度，整个过程可供设计和审图人员参考。

近海供应船；双层底；开孔；CCS《钢规》；IBC Code；直接计算

0　引 言

近海供应船主要为移动式或固定式的近海工程设施运送物料、材料及设备，一般在船舶前部设有起居处所和驾驶室，并在后部设有用于海上装卸货物的露天载货甲板，其具体入级要求体现在CCS《钢质海船入级规范》（以下简称《钢规》［1］）。根据CCS《钢规》第2篇第2章规定：“双层底所有肋板、旁桁材上均应开人孔；开孔高度应不超过该处双层底高度的50%，否则应予加强”；“船中部0.75L区域内，中桁材上不应开人孔或减轻孔，在个别特殊情况下一定要开孔时，应适当加强”。近海供应船通常设置有数个大密度（2.5kg/m3）泥浆舱，而其所装运的泥浆又属于有毒有害液体，根据《国际航行海船法定检验技术规则》［2］附则 10第3章3.3条“到货物区域内处所的出入孔应符合《国际散装化学品规则》［3］以下简称IBC Code）3.4条水平开孔净孔≥600mm×600mm，垂向开孔净孔≥600mm×800mm的要求”。

以上两条要求分别是出于结构强度的考虑和检验通道的要求。从强度角度考虑，船体双层底结构主要支撑构件上的开孔大小应受到限制，不应过大；而从检验通道及人员安全的角度考虑，船体双层底结构上用于检验通道的开孔又有最小尺度的要求，即为保证人员能通过而不应太小。以上要求体现在实船设计中，往往会互为矛盾，因为近海供应船船舶尺度较小，双层底实际高度通常只有1000～1200mm，如其上通道开孔还要能够满足IBC Code垂向开孔净孔≥600mm×800mm的要求（垂向开孔高度800mm已超过双层底高度1000～1200mm的50%），则会对双层底结构强度带来不利影响。为妥善解决这一矛盾，则需要借助有限元直接计算来验证双层底结构主要支撑构件上满足检验通道尺寸要求的开孔大小是否也能同时满足船体结构的强度要求。

1　双层底结构强度直接计算法

1.1作用在双层底上的载荷及主要工况分析

1.1.1由船舶运动产生的惯性力FX，FY，FZ

式中： al——纵向合成加速度； at——横向合成加速度； av——垂向合成加速度。

1.1.2液舱内液体产生的压力

1.1.3海水静压力

1.1.4海水动压力

1） 舷侧水线处的海水动压力

2） 船底边缘处（舭部）的海水动压力

3） 船底中纵剖面处的海水动压力

4） 水线面以下任意点的海水动压力

5） 水线面以上舷侧外板上任意点的海水动压力

1.2总体载荷工况边界条件

1） 在端面A与B内中和轴与纵中剖面相交处建一个独立点H，在独立点上施加总纵弯矩，端面各纵向构件节点自由度 δx、δy、 δz与独立点相关（见表1）。

表1　总体载荷边界条件

图1　模型边界条件

1.3双层底结构许用应力

1） 应将局部载荷工况与总体载荷工况产生的应力合成后进行强度校核。

2） 各主要构件的许用应力见表2。

表2　船体底部结构许用应力（其中K为材料系数）

2　实船计算

以某型船为例分析其双层底开孔是否满足CCS《钢规》直接计算的要求。

2.1基本信息及主尺度（见表3）

表3　某型OSV基本信息

2.2双层底开孔布置及有限元模型模拟

1） 实船双层底布置见图2、3。

图2　典型横剖面

图3　纵向结构

2） 有限元模型范围：纵向从FR32～FR75，横向为从左舷至右舷，垂向为从外底至主甲板；以3节点或4节点的板单元（Shell Element）模拟所有的板结构及骨材腹板，以梁单元（Beam）模拟所有骨材面板，板格大小取为175mm（1/4肋骨间距）；双层底实肋板和纵桁上的开孔模拟见图4、5。

图4　实肋板上开孔有限元模型

图5　纵桁上开孔有限元模型

2.3货物惯性力

泥浆惯性力计算见表4。

表4　泥浆惯性力计算

2.4筒形泥浆舱内部压力

考虑到泥浆舱安全阀的压力为0.01MPa，换算成水头约为400mm，则

式（9）中：z——计算点至基线的垂向距离。

2.5外部海水压力

参数见表5和图6。

表5　外部海水压力计算

图6　外部海水压力分布情况（静压力+动压力）

2.6有限元直接计算结果分析

由表6可知，当该船双层底纵桁、实肋板上开孔垂向高度不超过双层底高度的一半（0.5h）时，实船建造值都能满足规范要求值；但当双层底主要构件上开孔垂向高度为800mm时，开孔与双层底实际高度1200mm的比值为0.67h，此时，按等效剪切面积［5］换算得到的纵桁、实肋板规范要求值分别为11.5mm和12.5mm，则实际建造值10mm就不能满足规范要求值。此时，就非常有必要通过有限元直接计算的结果来对其作进一步的分析。

表6　直接计算结果与许用值对比

由此可见，从有限元直接计算结果来看，双层底纵桁和实肋板上的高应力区主要集中在货舱中段区域纵桁及实肋板开孔边缘的附近，但双层底结构上所有开孔构件的合成应力和剪应力的最大值均不超过其各自的许用值，故该船双层底实肋板和纵桁上的实际开孔大小在满足 IBC Code检验通道垂向开孔净孔≥600mm×800mm的情况下， 虽然不满足CCS《钢规》第2篇第2章“双层底所有肋板、旁桁材上的开孔高度应不超过该处双层底高度的50%”和“船中部0.75L区域内，中桁材上不应开人孔”的要求，但从有限元直接计算得到的双层底开孔结构应力分析来看，该船的双层底开孔结构强度仍具有相当程度的富裕。

3　结 语

近海供应船往往因船舶尺度较小（双层底实际高度通常只有 1000～1200mm），在要满足特定舱容的条件下，对于与液货舱相邻的隔离空舱和双层底舱，如其上通道开孔还要能够满足IBC Code垂向开孔净≥600mm×800mm的要求，则会对船体结构的强度造成不利影响。为避免削弱和损害船体结构，通常做法是由船东向主管机关提出“免除”申请，因为根据IBC Code 3.4.4条“如果通过此类开孔或搬移受伤人员的能力能使主管机关满意，则在特殊情况下，主管机关也可批准较小尺寸的开孔”。而本文通过对此类船舶进行有限元建模，采用直接计算对其双层底结构强度进行分析，为CCS《钢规》与IBC Code对双层底主要构件开孔大小要求之间的矛盾提供了除向主管机关申请“免除”途径之外另一种更为科学、有效的解决办法，即只要此类近海供应船双层底结构强度能通过有限元直接计算的校核，则在对其实肋板和纵桁上开孔大小进行限定的规范条文上可考虑适当放宽，即可适当增大开孔尺寸。

［1］ 中国船级社.钢质海船入级与建造规范，第2分册［S］. 北京：人民交通出版社，2012.

［2］ 中国海事局.国际航行海船法定检验技术规则，第4C分册［S］. 北京：人民交通出版社，2014.

［3］ 中国船级社.散装运输危险化学品船舶构造与设备规范［S］. 北京：人民交通出版社，2009.

［4］ 金忠谋. 材料力学［M］. 上海：上海交大教材科，1991.

Structural Strength Analysis of O ffshore Supp ly Vessel Double Bottom Openings

WANG Zhong-hua

（Shanghai Rules &Technology Center of China Classification Society， Shanghai 200135）

Taking the offshore supply vessel for high density liquid transportation as the research object， the structural strength of its double bottom openings is analyzed based on direct calculation， so as to check whether it w ill meet the different requirements specified in the CCS Steel Rules and IBC Code regarding the double bottom opening dimensions. Through finite element modeling and direct calculation check， the proper opening dimensions in compliance meet hull structural strength requirements are obtained based on regulations. The whole process can be referred by designers and plan approvers.

offshore supply vessel； double bottom； opening； CCS Steel Rules； IBC Code； direct calculation

U661.43

A

2095-4069 （2016） 02-0016-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.02.004

2015-03-26

王中华，男，高级工程师，1978 年生。2003 年硕士毕业于上海交通大学船舶与海洋结构物设计与制造专业，现从事船体结构规范和法定审图工作。