内河多用途船甲板载运集装箱有限元计算

赵阶保

（安徽省淮河船舶检验局，安徽 蚌埠 233000）

海上贸易运费一路下跌，燃料成本上升，国内集装箱运输受到冲击，为追求运输集装箱的经济效益，船舶设计在机舱甲板处载运集装箱，对机舱甲板局部强度影响很大，装载不当不仅会导致局部结构破坏，而且局部结构的破坏还可能传递到其它结构，甚至造成整个船体结构的破坏[1]。本文以93.88m 内河多用途船为例，在船舶机舱甲板设计载运五层空箱，为最大保护货物运输安全性，采用有限元建模验证船舶的结构强度。

1 船舶主要参数

船舶总长93.88m，型宽18.6m，型深6.6m，吃水5.477m，钢质、双机、双桨、双舵、柴油机推进内河多用途船，主要航行于内河A、B 级航区。由于本船在机舱主甲板处载运集装箱，参考中国船级社《钢质内河船舶建造规范》（2016）（以下简称《内规》）的计算要求，对其装载部位主要构件，尤其是主甲板构件用直接计算方法进行强度校核。

2 计算依据和内容

依据的图纸资料包括：总布置图、基本结构图、尾部结构图、型线图、完整稳性计算书等。

对本船机舱段结构强度进行有限元直接计算，参照《内规》第1 章第1.9.7 节的关于局部强度有限元直接计算方法以及许用应力标准，对本船强度进行评估，计算采用的软件是MSC.MPatran/Nastran，分析内容包括：

（1）舱段结构（#10-#24）建立三维有限元模型。

（2）计算作用在模型范围内的载荷，舷外水压力按照 A 级航区实际吃水进行计算。

（3）按照《内规》第1 章1.9.7 节的要求进行强度评估。

3 有限元模型

采用三维有限元模型进行本船机舱主要构件的强度直接计算，模型范围取为全宽模型，舱段模型的纵向范围从肋位Fr10 到Fr24，垂向范围为船体型深。

图1 舱段模型示意图

4 载荷与边界条件

4.1 计算工况

表1 各种计算工况

4.2 空船、空箱载荷

按照设计方提供数据，空船重量分布以重力加速度的形式施加到模型中。标准空箱载荷共137t 施加在对应箱角上。

图2 空箱载荷示意图

4.3 舷外水压力

舷外水压应按下式计算，按压力分布施加到模型各单元上：

P=9.81(h-z) kN/m2

式中：h—计算水柱高，m，对于航行工况，取h=d±r，但0 ≤h ≤D，对于码头工况取h=d；d—计算工况的船舶吃水，m；r—半波高，m，按A 级航区取1.25m；D—型深，m；z—单元压力中心跟基线的距离，m。

4.4 边界条件

按照 《内规》的1.9.7.5（1）规定取用边界条件，在模型全端面所有节点上施加ux=uy=uz=0 约束，在一舷所有实肋板的端部节点施加uy=uz=0 约束，另一舷所有实肋板的端部节点上施加uz=0 约束；在横舱壁与船底板交线两端的节点上施加uz=0 约束。

5 计算结果及评估

分别提取各种计算工况下板单元和梁单元应力结果中的最大/最小值，按照强度标准进行衡准，列举部分应力计算结果云图，见图3-6。

图3 中拱状态板单元形心处中面Von Mises 应力

图4 中垂状态板单元形心处中面Max shear 应力

图5 中拱状态梁单元 Von Mises 应力

图6 中垂状态梁单元 Von Mises 应力

各计算工况下得到的应力结果及强度衡准见表2。

表2 满载空箱出港中拱/中垂状态下各构件应力结果表（单位：MPa）

6 结论

计算结果表明：在各种工况的载荷作用下，本船机舱段（#0-#24）结构中的各种板壳结构的板单元应力分量，以及各种构件上的骨材、加强筋、面板以及梁单元的应力均在表5.1 所示的强度标准之内，表明本船各种构件的强度满足要求。