横浪载荷下甲板货船横向强度计算实例分析
2023-10-13陈炯杨琦
陈炯，杨琦
（1.九江职业技术学院，江西 九江 332000；2.九江职业技术学院船舶与海洋工程技术研究所，江西 九江 332000）
甲板货船主要用于运输大件甲板货物或石料等，由于载运货物质量大、重心高等特点，该类船型通常呈现具备载货面积大、单位面积载荷高、宽深比大、长宽比小和设置全通甲板等特点[1]。
关于甲板货船横向强度的计算实例中，许君林[2]以某109.8 米甲板货船为例进行了实例分析，其计算过程对同类船型横向强度计算具有一定的参考意义；赵重一[3]选取了某114.3 米甲板货船，并对货船区域结构进行了优化。
目前该类船型结构设计除满足第二篇第二章设计要求外，还通常应该满足第十二章驳船的相关要求。《国内航行海船建造规范》（2021）第二篇第十二章明确提出了对B/D≧3的箱型驳船横向强度直接计算校核方法，并对横向强度计算中载荷、结构模型、强度评估作了具体说明。
1 计算船型概述
本船为货舱区域采取双底、单舷侧、单甲板结构，货物甲板及FR44-FR180 主船体均为纵骨架式，其他区域为横骨架式的混合骨架式甲板货船，计算船型侧视图见图1。
图1 147 米甲板货船侧视图
船舶主要量度如下：
总长Loa=147.50m；设计水线长Lwl=147.50m；垂线间长Lpp=143.50m；型宽B=39.00m；型深D=9.00m；设计吃水d=5.90m；计算船长L=143.08m；结构吃水d=6.00m；装货甲板设计载荷=20t/m2。
为有效控制船体结构重量，同时兼顾中剖面模数要求，主船体区域采用了普通钢和高强度钢混合使用的形式。载货区域肋骨间距为700mm，设置左右舷共2 道居中距离为5600mm 的纵舱壁。横向强框架最大间距为3 个肋位，双层底区域设置水密中桁材和左右各5 道对称的非水密旁桁材,船底桁材上方设对应纵壁或支柱。货舱强框架结构如图2 所示，相关横向构件实际取值如表1。
表1 横向构件规格型号表
图2 货舱区域强框架典型横剖面图
2 横浪载荷
当船舶处在横浪中时，两舷的水压不同，波浪拍击船体侧面，会造成船体的横向弯曲和横向倾斜，保证横向强度的构建主要有横舱壁、肋板、肋骨、横梁、外板、甲板等。
船型不一样，横向强度计算中的舷外水压力取值方式也不一致，例如，滚装船、客船计算时仅考虑海水静压力，散货船（货舱长度超过30 米）则是考虑海水静压力和动压力的结合，其动压力数值和航区、型宽、方形系数、计算工况下吃水、计算点至纵中剖面的横向距离或至极限的垂线距离等因素有关。
甲板货船横向强度的计算方法参照箱型驳船执行，工况仅考虑甲板货物载荷和舷外水压力的作用。舷外水压力载荷由静水压力和波浪水动压力两部分组成，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。可假定一舷侧受到静水压力和波浪压力的叠加作用，另一舷侧受静水压力与反向波浪动压的作用，但计算结果小于零时取零计入[4]（如图3）。
图3 甲板货船舷外水压力示意图
3 有限元模型
3.1 模型范围
通常横向强度计算方法主要对货舱部分进行强度计算，而其余部分的强度不进行计算[5]。本计算使用PATRAN-NASTRAN 有限元软件进行建模，模型范围沿船长方向选取船中区域一个包括两端横舱壁的完整舱段。全船肋位范围是尾（FR-7）-FR209，模型实际选取范围为FR90-FR103。
3.2 边界条件
模型坐标原点在Fr90 横舱壁船底中线处，X 轴沿船长方法为正，Y 轴向左舷为正方向，Z 轴向上为正方向。计算时，舱段前后两端横舱壁边缘上所有节点均约束3 个方向线位移，模型边界条件示意图见图4 所示。
图4 有限元模型及边界条件
4 计算工况
本船甲板设计载荷为20.0t/m2，装货甲板面积130m（长）×39m（宽）。
横向强度计算工况取以下两种：
对称工况：此工况下，船体承受垂直于外板向内的舷外静水压力和两舷对称的波浪动压力，以及垂直向下的最大甲板许用载荷。
非对称工况：此工况下，船体承受垂直于外板向内的舷外静水压力和一舷由外向内、另一舷由内向外作用的反对称波浪动压力，以及垂直向下的最大甲板许用载荷。
参考图3，确定本船两种工况下舷外水压力如表2所示。
表2 不同工况下舷外水压力取值
5 强度校核
5.1 许用应力
板单元、梁单元许用应力取值如表3、表4。
表3 板单元许用应力 N/mm2
表4 梁单元许用应力 N/mm2
表中：σe—板单元相当应力（即VonMises 应力），N/mm2；τ—基于腹板总高度的平均剪应力，N/mm2；σrod—梁单元的正应力（不包括弯曲应力成分），N/mm2；K—材料系数，CCS-A 级钢为1.0，CCS-AH36 级钢为0.72。
5.2 应力衡准
各工况中，最大应力汇总如表5、表6。
表5 CCS-A 级钢区域最大应力汇总表
表6 CCS-AH36 级钢区域最大应力汇总表
应力云图如图5 所示：
图5 横框架板单元最大相当应力云图
6 结论
依据《国内航行海船建造规范》（2021）箱型驳船横向强度校核的相关要求，结合实际货物载荷、波浪载荷情况，本文校核了本船货舱区域横向结构强度。计算结果表明采取普通钢和高强度相结合的骨架形式，有助于提高计算船型横向强度，并降低船只空船重量，其骨架形式和构件选取也对同类船型具有一定的参考价值。
