基于无顶凳设计的油船舱段结构强度分析*

2018-07-10郭哲璐傅静军

武汉交通职业学院学报 2018年2期

郭哲璐张华傅静军孙通

（1.浙江国际海运职业技术学院，浙江舟山 316021；2.舟山万达船舶设计有限公司，浙江舟山316021；3.舟山市渔船检验处，浙江舟山 316000）

根据近30年的造船资料［1］显示，典型油船的槽形舱壁通常会设置直壁或斜壁顶凳，因为顶凳的设置可以减小槽形舱壁板的跨距，提高力学性能，从而减小舱壁的构件尺寸［2］。然而，顶凳的设置也有很多缺点，行业内的专家学者对此做了大量研究［3］，发现设置顶凳后，如果将顶凳作为货舱的一部分，在后续船舶营运中，洗舱机的工作阴影区将大大增加，不便于货舱的清洗，且需要为清洗和检查在顶凳区域设置通道；如果将顶凳作为空舱，将损失一部分舱容，众所周知，货舱舱容和空船质量对于油船来说是十分重要的指标［4］，这直接关系到船舶的建造成本及运营成本，因此，无顶凳设计具有一定的实用意义。

本文以某型7500DWT油船为例，考虑货舱容积、空船质量等因素，对槽形舱壁做无顶凳设计。按照CCS《国内航行海船建造规范》（2015）要求应设置顶凳［5］，因此，此船属于超规范船舶，参照HCSR（散货船和油船协调共同结构规范）对中部货油舱区域强度进行评估。

1 船体模型及相关参数

1.1 船体结构及主尺度设计

本船是一艘7500DWT油船，货舱区域采取双壳双底结构，货舱舱壁为槽型舱壁结构，全船采用纵骨架式，并设置5对货舱。船舶主尺度如下：总长119.80m，规范船长111.72m，两柱间长112.80m，型宽17.20m，型深8.10m，吃水6.50m，结构吃水6.80m，设计航速12.00kn。

为了方便清舱、提高货舱容积同时减轻空船重量，本船对货油舱槽形横舱壁和纵舱壁均做了无顶凳设计，如图1所示。

图1 纵舱壁结构形式（左）横舱壁结构形式（右）

1.2 计算模型及网格设置

利用MSC.Patran有限元商业软件建模，为了减小边界条件对评估对象的影响，建立货舱舱段有限元模型，包括船中No2、3、4号三个货油舱长度，取中间舱段作为评估对象；由于波浪载荷左右并不对称，模型宽度范围选用全宽模式；同时，模型的纵向范围具体设置为肋位Fr59到肋位Fr131+150；垂向范围为船体型深。

按照HCSR规范，单元全部采用板单元和梁单元模拟。按照纵骨间距设置横向和垂向网格，按照肋距设置船体纵向网格［6］。有限元模型见图2。坐标系统采用规范规定的右手坐标系默认方向设置。

图2 三舱段有限元计算模型网格

1.3 边界条件

根据HCSR规范要求，模型边界条件按表1进行设置。其中模型两端有独立的弹簧单元，具体刚度c可根据以下公式计算得到：

式中：As-net50为单独构件的剪切面积；ν为材料泊松比；E为材料弹性模量；ltk为横舱壁之间的距离；n为构件上施加弹簧单元的节点数。

1.4 计算工况及载荷

本船的计算工况包括S+D（航行工况）和S（港内和舱室试验工况），标准设计组合见下表2、表3所示。其中S（港内和舱室试验工况）只考虑静载荷，S+D（航行工况）考虑静载荷和动载荷联合作用。

静载荷包括：静水剪力、弯矩和压力；动载荷包括：波浪剪力、弯矩和惯性载荷。每种工况组合不同的吃水、静水载荷、波浪载荷和船体加速度等参数，模拟舱段真实的受力环境，具体的载荷数值来自HCSR规范书。

表1 端部边界约束

表2 计算载况S+D（航行工况）

2 油船舱段屈服强度分析

2.1 许用应力衡准

本船不设置顶凳，校核考虑不设置顶凳后对甲板等上层构件的影响。屈服利用因子如表4所示。

表4 屈服利用因子

表中：λy为屈服利用因子，可根据公式2计算得到。

式中：σvm为单元膜应力对应von Mises应力；σyd-规定的材料屈服应力。

2.2 屈服强度校核

通过Nastran对于上述工况进行计算分析，得出舱段结构的屈服强度，其中主要构件屈服强度计算结果见表5所示，屈服应力云图见图3～图4（受篇幅限制，只给出部分主要构件）。

表5 主要构件屈服利用因子

由计算结果可以看出，S+D（航行工况）下的应力水平普遍要高于S（港内和舱室试验工况）；而对于相同工况下，强框架的应力水平最高，接近或刚刚达到规范许用值，而槽形纵舱壁板应力水平相对较低。因此，在设计时要重点考虑强框架，尤其是端部和其他主要支撑构件相邻区域。总之，该油船中间舱段结构屈服强度符合HCSR规范要求，安全性能满足衡准。