某海洋试验船横向强度评估

陈亮亮+罗慧明+陶荣斌+龚小超

（广州船舶及海洋工程设计研究院，广州 510250）

摘 要：对于扁平状船舶来说，横向强度是一个非常重要的强度问题。本文参考中国船级社《国内航行海船建造规范》（2012）关于驳船横向强度的计算方法，利用大型商用有限元分析软件MSC.PATRAN/NASTRAN对船体结构进行应力分析计算，校核某海洋试验船的横向强度，验证了该船采用的横向框架结构的安全性。

关键词：横向总强度；海洋试验船；直接计算

中图分类号：U661.4 文献标识码：A

1 前言

船体强度研究的主要任务是研究船体结构抵抗破坏和变形的规律。把船体作为一个整体来研究其强度问题称为船体总强度，包括纵向总强度、横向总强度和扭转总强度等。我院设计的某海洋综合试验船，横剖面呈扁平状，其横向强度问题对该型船的设计和运营具有重要的影响。

因该船的B/D > 3，故参考《国内航行海船建造规范》（2012） 中关于驳船横向强度的校核方法，采用商用有限元分析软件MSC.PATRAN/NASTRAN建立结构有限元模型，对该船横向强度进行应力響应计算，并按照规范的强度衡准对该船的横向强度进行校核。

2 船舶概述与有限元模型

本船的主要参数如下：

计算船长 83.86 m

型宽 18 m

型深 5.5 m

结构吃水 4.0 m

有限元坐标系统取右手坐标系：X方向为船体的纵向，以船首为正；Y方向为船体的横向，以船中纵线向左舷为正；Z方向为船体的垂向，以基线向上为正；坐标原点在中纵剖面、基线和0号肋位的交点处。

模型纵向范围（X方向），取船中FR56～FR77；横向范围（Y方向），取整个船宽；垂向范围（Z方向），取基线到主甲板。

有限元模型的单元类型：主甲板、纵桁腹板、强横梁腹板、舱壁板等结构，用壳单元模拟；舱壁扶强材、甲板横梁、纵桁面板、强横梁面板等结构，用梁单元模拟。

该模型总共有25145个单元，其中5605个梁单元、18339个节点。模型中的网格尺寸为：纵向、横向和垂向，按300 mm左右为一个单元划分。

有限元模型的材料参数：整个结构采用船用A级钢，其弹性模量E=2.06 x 105 Mpa，泊松比为0.3，密度为7850 kg/m3。有限元模型单位：长度为mm，力为N，压强为MPa。

图1为有限元模型情况，为了表达清晰，图中隐去了主甲板。

根据中国船级社《国内航行海船建造规范》（2012）的要求，模型前后两端横舱壁所有节点均约束3个线位移。

3 计算载荷与工况

3.1 计算载荷

横向强度的计算工况，仅考虑甲板最大许用载荷和舷外水压力的作用，不考虑船体梁弯矩（包括垂向和水平）的作用。

甲板最大许用载荷计算中，ho值按照《GCY948-021-02JS-结构规范计算书》中取为1.37 m，其对应的设计载荷p按下式计算：

（1）

舷外水压力载荷由静水压力和波浪水压力两部分组成：

在基线处 （2）

在水线处 （3）

在舷侧顶端处 （4）

式中：

d为吃水，m；

D为型深，m。

在计算工况中采用施加于两舷的不对称舷外水压力来模拟：假定一舷侧受到静水压力和波浪压力的叠加作用；另一舷侧受到静水压力和反向波浪压力的作用。

载荷作用分布情况，见图2。

3.2 计算工况

海洋试验船在实际运营过程中，其遭受的载荷与海况是多种多样的，规范中给出了两种最危险的计算工况：

（1）对称工况： 甲板最大许用载荷+舷外静水压力+由外向内的两舷对称受压的波浪动压力；载荷分布，如图3所示。

（2）非对称工况： 甲板最大许用载荷+舷外静水压力+一舷由外向内、另一舷由内向外作用的反对称受压的波浪动压力；载荷分布，如图4所示。

4 计算结果与分析

4.1 应力水平汇总

应力水平汇总表，见表2～3。

表中：σe—板单元的相当应力，Mpa；τ—基于腹板总高度的平均应力，Mpa；σrod—杆单元的轴向应力或梁单元的正应力，Mpa。

4.2 计算结果云图

计算结果云图如图5～12所示。

5 结 论

本文根据CCS《国内航行海船建造规范》（2012）对新设计的某海洋试验船的横向强度，采用直接计算法进行了强度评估。计算结果表明：在以上两种工况条件下，计算模型中任一单元最大应力均不超过规范所规定的强度衡准，因此该船结构满足规范对横向强度的要求。

本文给出的海洋试验船横向强度评估直接计算方法和完善的分析流程，可以为今后类似船舶的横向强度评估提供一个参考依据。

参考文献：

[1]杨代盛.船体强度与结构设计[M].上海交通大学，1981.

[2]中国船级社.国内航行海船建造规范[S].人民交通出版社，2012.

[3]刘兵山，黄聪.PATRAN从入门到精通[M].中国水利水电出版社，2003.