矿砂船货舱强度有限元分析

2021-01-04刘健中孙竹君

中国水运 2021年12期

刘健中孙竹君

摘要：矿砂船是专门载运散装矿砂的船舶，矿砂作为一种比重大的散货，对矿砂船货舱区的强度储备要求较高。随着我国经济的快速发展，近些年来对矿砂的需求逐年增加，矿砂船作为运输载体也逐年呈现大型化的发展趋势。本文运用MSC.PATRAN/NASTRAN有限元计算软件，针对一条自卸矿砂船的货舱区域进行舱段有限元计算，分析应力分布规律，对矿砂船的结构优化具有指导意义。

关键词：局部强度;矿砂船;有限元分析

中图分类号：U674.3 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）12-0080-03

1引言

随着我国近些年经济的飞速发展，中国快速成为了全球最大的基建市场。矿砂作为工程建设中一种基础材料，被广泛使用于房屋建设、道路建设中。铁矿石是钢铁生产企业的重要原材料，世界铁矿资源主要集中在澳大利亞、巴西、俄罗斯、乌克兰、哈萨克斯坦、印度、美国、加拿大、南非等国。中国作为世界上首大铁矿石需求国，本国的铁矿品质并不能满足国内需求，约70%的铁矿需求依赖于进口。截止2020年底统计，我国进口铁矿金额8228.7亿元，上涨17.8%。

我国矿砂的主要来源为矿山和河道。沿江沿海地区凭借物流运输条件的优势，是矿山资源开发的重点关注区域[1]。

在日益庞大的矿砂需求下，矿砂船作为运输载体也逐年呈现大型化的发展趋势。矿砂作为一种比重大的散货，对矿砂船货舱区的强度储备要求较高。国内已有学者针对矿砂船舱口间甲板结构进行强度分析[2]，提出该位置较容易发生梁、柱及板材的屈曲。纵向舱口围板不连续，导致舱口角隅处产生应力集中[3]。本文选择一条甲板结构加强、舱口围板纵向连续的矿砂船货舱舱段，根据中国船级社《国内航行海船建造规范》（以下简称规范），运用MSC.PATRAN/ NASTRAN进行有限元计算，对其应力分布规律进行分析，为进一步优化矿砂船的货舱段船体结构，为该类型船舶的大型化提供数据支持。

2船体结构有限元模型

2.1 结构模型

2.1.1 目标船主要参数

本文以某沿海遮蔽航区72.8m自卸矿砂船为例，进行局部结构强度计算。该船总长72.8 m，垂线间长68.8 m，型宽15.2 m，型深4.3 m，设计吃水3.305 m。

2.1.2 有限元结构模型

本文按照《国内航行海船建造规范》中相关规定，采用子结构建模技术对目标船进行建模。模型范围选取为半宽模型，1/2舱长+1/2舱长，舱段模型的纵向范围从28肋位到59肋位;垂向范围为船体型深;模型外板、斜板、舱壁板、强框架、肋板、纵桁、肋骨腹板、甲板纵桁腹板、舱口围板等结构用壳单元模拟，纵骨、肋骨等加强筋用梁单元模拟。船体材料的弹性模量E=2.06×105 MPa;泊松比0.3;密度7.85t/m3。船体结构模型如图1-图3所示。

2.1.3 坐标系

本模型坐标系为：原点位于Fr28号船底中线处，X轴向船艏为正方向，Y轴向左舷为正方向，Z轴向上为正方向。

2.1.4 边界条件

模型的两端（简称A端和B端）和中纵剖面（CL）均需约束详细边界条件见表1。

2.2 工况及载荷

2.2.1 计算工况

根据稳性计算书，选取满载散货出港和压载出港两种计算工况，见表2。

2.2.2 舷外水压力

根据《规范》第2篇1.5.3，舷外水压力由海水静压力和海水动压力两部分组成。载荷示意图如3所示。海水动压力包括：

（1）舷侧水线处海水动压力PWL;

（2）船底边缘处（舭部）海水动压力PBS;

（3）船底中纵剖面处海水动压力PBC;