大宽深比甲板货船载货区域横向强度校核分析

宋鹏克，张为利

（安徽省江淮船舶检验局，安徽合肥 230011）

0 引 言

近年来，随着海上工程项目日益增多，甲板货船得到了船厂和船东的广泛关注。甲板货船具有建造成本低、施工工艺简单、便于装卸施工和收益率高等优点，特别是小型甲板货船，因具有快捷、灵便的优点而备受青睐。

为能装载大件货物，甲板货船需具有较大的宽深比B/D，对于B/D ＞3 的甲板货船，根据2018 年《国内航行海船建造规范》12.1.3.7 的要求，应采用直接计算法校核其横向强度。本文以某49 m沿海甲板货船为例，采用有限元软件对其货舱段主要构件建立有限元模型，并采用计算软件对其横向强度进行分析和探讨。

1 船舶概况

该船为单底钢质沿海甲板货船，主要在沿海各港口装运工程辅料、块状石料和捆扎线材等建筑材料。船长47.8 m，型宽15 m，型深2.8 m，肋距0.50 m，甲板载荷2 t/m。甲板、船底和舷侧上纵向连续构件有纵骨和纵桁，横向强框架由强横梁、强肋骨和实肋板组成。船体强框架内设有由柱子和撑杆组成的桁架做支撑。

2 结构模型

2.1 模型范围

采用MSC.Patran/Nastran软件进行建模和计算。采用三维有限元模型，根据《国内航行海船建造规范》（2018）第2 篇第12 章附录3.1.1 的规定：模型横向范围取整个船宽；模型纵向范围取#47 肋位到#71 肋位（两端的横舱壁包括在模型内）；模型垂向范围取整个型深。甲板和舱壁等平板结构采用板单元模拟；肋板、船底龙骨、甲板纵桁、甲板强横梁、舷侧纵桁、舷侧强肋骨和舱壁垂直桁等腹板采用板单元模拟；面板采用梁单元模拟；其他小的骨材和支柱采用梁单元模拟。

有限元模型有13 202个节点，19 112个单元。模型材料：弹性模量E =2.06 ×10MPa；泊松比为0.3；密度为7.85 t/m。货舱段有限元模型见图1 ～图3。

图1 货舱段有限元模型

图2 货舱段有限元模型（隐去甲板）

图3 施加边界约束后的货舱段有限元模型

2.2 边界条件

根据《国内航行海船建造规范》（2018）第2 篇第12 章附录3.1.3.1 的规定，模型两端横舱壁上所有节点均约束3 个线位移，详细边界条件见表1。

表1 边界条件

3 载荷

3.1 计算工况

为考虑横浪作用沿船长方向的局部范围内产生的效果，在计算工况中采用施加于两舷的不对称舷外水压力模拟该情形。假定一舷侧受静水压力与波浪压力的叠加作用，另一舷侧受静水压力与反向波浪动压力的作用。

考虑以下2 种工况：

1）对称工况，即甲板最大许用荷载+舷外静水压力+由外向内作用的两舷对称受压的波浪动压力；

2）非对称工况，即甲板最大许用荷载+舷外静水压力+一舷由外向内作用、另一舷由内向外作用的反对称波浪动压力。

3.2 舷外水压力

舷外水压力由静水压力和波浪水动压力2 部分组成。

1）基线处的水压力的计算公式为

2）水线处的水压力的计算公式为

3）舷侧顶端的水压力的计算公式为

式（1）～式（3）中：P为基线处的水压力，kN/m；P为水线处的水压力，kN/m；P为舷侧顶端的水压力，kN/m；系数C=0.041 2L+4，当船长L ＜90 m时，对于沿海航区，C值折减0.85；d为吃水，m；P取决于C、d和型深D，按式（4）求得。

3.2.1 对称工况

基线处的水压力p=23.956 kN/ m；水线处的水压力p=17.912 kN/ m；舷侧顶端的水压力p=15.299 kN/ m。

在软件中用场模拟由基线到水线处的水压力，场的方程为23.956 -4.029 ×z（单位为kN/ m）；由水线到舷侧顶端处的场的方程为20.927 -2.01 ×z（单位为kN/ m），甲板上的荷载为2 t/ m，载荷受力示意图见图4 ～图6。

图4 载荷受力示意图

图5 LC1载荷受力示意图

图6 LC1载荷受力示意图（左舷）

3.2.2 非对称工况

基线处的水压力p=6.044 kN/ m；水线处的水压力P=0 kN/ m。

在软件中用场模拟由基线的水压力到水线处的水压力，场的方程为6.044 -15.971 ×z（单位为kN/ m）；甲板上的荷载为2 t/ m，载荷受力示意图见图7 ～图9。

图7 LC2载荷受力示意图

图8 LC2载荷受力示意图（右舷）

图9 LC2载荷受力示意图（左舷）

4 计算结果及分析

根据《国内航行海船建造规范》（2018）第2 篇第12 章附录4.1.1.1 的规定，有限元的结果评估取值范围应基于模型中的一个横向强框架确定。为安全起见，选取各强框架计算结果中的最大值进行应力评估。

通过对货舱段变形云图和应力云图（见图10 和图11）进行分析，得到以下结论：

1）纵、横舱壁板由于端部约束，应力较小；

2）甲板和甲板纵桁在纵舱壁与舷侧外板中间位置，其变形和应力较大；

3）舷侧板在型深中点处的应力和变形较大，需在布设外板时避开；

4）船底板和船底纵桁在纵舱壁与舷侧外板中间位置，其变形和应力较大；

5）应力在强结构上明显集中，应力最大位置一般都在强构件相交处，因此要保证强构件的焊接质量，特别是相交处肘板的焊接质量。

图10 舱段变形云图分布（工况1）

图11 舱段应力云图分布（工况1 -相当应力）

5 结 语

由于大宽深比甲板货船越来越多，该型船的设计已不能仅局限于遵从船舶设计规范，对甲板货船进行强度校核分析非常重要。在本文的横向强度分析中，船舶承受应力的构件主要有甲板、舷侧、纵舱壁、船底纵桁和甲板纵桁，这些构件的相交处附近应力水平较高，在进行结构设计计算时应予以高度重视。本文的分析可供同类型船舶的建造参考。