基于無(wú)頂?shù)试O(shè)計(jì)的油船艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析*

郭哲璐 張 華 傅靜軍 孫 通

（1.浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021；2.舟山萬(wàn)達(dá)船舶設(shè)計(jì)有限公司，浙江 舟山316021；3.舟山市漁船檢驗(yàn)處，浙江 舟山 316000）

根據(jù)近30年的造船資料［1］顯示，典型油船的槽形艙壁通常會(huì)設(shè)置直壁或斜壁頂?shù)?，因?yàn)轫數(shù)实脑O(shè)置可以減小槽形艙壁板的跨距，提高力學(xué)性能，從而減小艙壁的構(gòu)件尺寸［2］。然而，頂?shù)实脑O(shè)置也有很多缺點(diǎn)，行業(yè)內(nèi)的專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此做了大量研究［3］，發(fā)現(xiàn)設(shè)置頂?shù)屎?，如果將頂?shù)首鳛樨浥摰囊徊糠?，在后續(xù)船舶營(yíng)運(yùn)中，洗艙機(jī)的工作陰影區(qū)將大大增加，不便于貨艙的清洗，且需要為清洗和檢查在頂?shù)蕝^(qū)域設(shè)置通道；如果將頂?shù)首鳛榭张?，將損失一部分艙容，眾所周知，貨艙艙容和空船質(zhì)量對(duì)于油船來(lái)說(shuō)是十分重要的指標(biāo)［4］，這直接關(guān)系到船舶的建造成本及運(yùn)營(yíng)成本，因此，無(wú)頂?shù)试O(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用意義。

本文以某型7500DWT油船為例，考慮貨艙容積、空船質(zhì)量等因素，對(duì)槽形艙壁做無(wú)頂?shù)试O(shè)計(jì)。按照CCS《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2015）要求應(yīng)設(shè)置頂?shù)剩?］，因此，此船屬于超規(guī)范船舶，參照HCSR（散貨船和油船協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范）對(duì)中部貨油艙區(qū)域強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。

1 船體模型及相關(guān)參數(shù)

1.1 船體結(jié)構(gòu)及主尺度設(shè)計(jì)

本船是一艘7500DWT油船，貨艙區(qū)域采取雙殼雙底結(jié)構(gòu)，貨艙艙壁為槽型艙壁結(jié)構(gòu)，全船采用縱骨架式，并設(shè)置5對(duì)貨艙。船舶主尺度如下：總長(zhǎng)119.80m，規(guī)范船長(zhǎng)111.72m，兩柱間長(zhǎng)112.80m，型寬17.20m，型深8.10m，吃水6.50m，結(jié)構(gòu)吃水6.80m，設(shè)計(jì)航速12.00kn。

為了方便清艙、提高貨艙容積同時(shí)減輕空船重量，本船對(duì)貨油艙槽形橫艙壁和縱艙壁均做了無(wú)頂?shù)试O(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 縱艙壁結(jié)構(gòu)形式（左）橫艙壁結(jié)構(gòu)形式（右）

1.2 計(jì)算模型及網(wǎng)格設(shè)置

利用MSC.Patran有限元商業(yè)軟件建模，為了減小邊界條件對(duì)評(píng)估對(duì)象的影響，建立貨艙艙段有限元模型，包括船中No2、3、4號(hào)三個(gè)貨油艙長(zhǎng)度，取中間艙段作為評(píng)估對(duì)象；由于波浪載荷左右并不對(duì)稱(chēng)，模型寬度范圍選用全寬模式；同時(shí)，模型的縱向范圍具體設(shè)置為肋位Fr59到肋位Fr131+150；垂向范圍為船體型深。

按照HCSR規(guī)范，單元全部采用板單元和梁?jiǎn)卧M。按照縱骨間距設(shè)置橫向和垂向網(wǎng)格，按照肋距設(shè)置船體縱向網(wǎng)格［6］。有限元模型見(jiàn)圖2。坐標(biāo)系統(tǒng)采用規(guī)范規(guī)定的右手坐標(biāo)系默認(rèn)方向設(shè)置。

圖2 三艙段有限元計(jì)算模型網(wǎng)格

1.3 邊界條件

根據(jù)HCSR規(guī)范要求，模型邊界條件按表1進(jìn)行設(shè)置。其中模型兩端有獨(dú)立的彈簧單元，具體剛度c可根據(jù)以下公式計(jì)算得到：

式中：As-net50為單獨(dú)構(gòu)件的剪切面積；ν為材料泊松比；E為材料彈性模量；ltk為橫艙壁之間的距離；n為構(gòu)件上施加彈簧單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

1.4 計(jì)算工況及載荷

本船的計(jì)算工況包括S+D（航行工況）和S（港內(nèi)和艙室試驗(yàn)工況），標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)組合見(jiàn)下表2、表3所示。其中S（港內(nèi)和艙室試驗(yàn)工況）只考慮靜載荷，S+D（航行工況）考慮靜載荷和動(dòng)載荷聯(lián)合作用。

靜載荷包括：靜水剪力、彎矩和壓力；動(dòng)載荷包括：波浪剪力、彎矩和慣性載荷。每種工況組合不同的吃水、靜水載荷、波浪載荷和船體加速度等參數(shù)，模擬艙段真實(shí)的受力環(huán)境，具體的載荷數(shù)值來(lái)自HCSR規(guī)范書(shū)。

表1 端部邊界約束

表2 計(jì)算載況S+D（航行工況）

2 油船艙段屈服強(qiáng)度分析

2.1 許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

本船不設(shè)置頂?shù)?，校核考慮不設(shè)置頂?shù)屎髮?duì)甲板等上層構(gòu)件的影響。屈服利用因子如表4所示。

表4 屈服利用因子

表中：λy為屈服利用因子，可根據(jù)公式2計(jì)算得到。

式中：σvm為單元膜應(yīng)力對(duì)應(yīng)von Mises應(yīng)力；σyd-規(guī)定的材料屈服應(yīng)力。

2.2 屈服強(qiáng)度校核

通過(guò)Nastran對(duì)于上述工況進(jìn)行計(jì)算分析，得出艙段結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度，其中主要構(gòu)件屈服強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5所示，屈服應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3～圖4（受篇幅限制，只給出部分主要構(gòu)件）。

表5 主要構(gòu)件屈服利用因子

由計(jì)算結(jié)果可以看出，S+D（航行工況）下的應(yīng)力水平普遍要高于S（港內(nèi)和艙室試驗(yàn)工況）；而對(duì)于相同工況下，強(qiáng)框架的應(yīng)力水平最高，接近或剛剛達(dá)到規(guī)范許用值，而槽形縱艙壁板應(yīng)力水平相對(duì)較低。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮強(qiáng)框架，尤其是端部和其他主要支撐構(gòu)件相鄰區(qū)域?？傊?，該油船中間艙段結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度符合HCSR規(guī)范要求，安全性能滿(mǎn)足衡準(zhǔn)。

圖3 強(qiáng)框架von Mises應(yīng)力（工況S+D）

圖4 強(qiáng)框架von Mises應(yīng)力（工況S）

3 油船艙段曲屈分析

3.1 曲屈衡準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)范要求，有限元計(jì)算中所有構(gòu)件單元都應(yīng)進(jìn)行單獨(dú)評(píng)估。同時(shí)，每個(gè)非加筋板格和加強(qiáng)筋連同帶板都應(yīng)進(jìn)行校核計(jì)算。如果滿(mǎn)足衡準(zhǔn)（如公式3所示），那么各個(gè)構(gòu)件的屈曲性能視為達(dá)到規(guī)范要求：

式中：ηact-實(shí)際屈曲利用因子；ηallow-許用屈曲利用因子，具體數(shù)值見(jiàn)表6。

表6 最大許用屈曲利用因子

3.2 曲屈校核

利用Nastran對(duì)各工況進(jìn)行計(jì)算得到艙段結(jié)構(gòu)的曲屈利用因子，發(fā)現(xiàn)甲板板上的曲屈最為嚴(yán)重。因此，選取甲板作為曲屈評(píng)估對(duì)象，具體的曲屈校核數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。同時(shí)，圖5～圖6給出甲板曲屈云圖。

表7 最大曲屈利用因子

圖5 甲板S+D工況下曲屈云圖（B9）

圖6 甲板S工況下屈曲云圖（B11）

由表7給出的計(jì)算結(jié)果可知，該油船艙段結(jié)構(gòu)曲屈強(qiáng)度符合HCSR規(guī)范要求。

4 局部細(xì)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

4.1 模型及網(wǎng)格

為了計(jì)算關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布情況，需要對(duì)其局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。按照HCSR規(guī)范規(guī)定，本船共選取了7處網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化分析，它們分別是槽形橫艙壁、縱艙壁、底部艙斜板、強(qiáng)橫梁與內(nèi)殼板交界處的軟趾、三處橫艙壁垂直扶強(qiáng)材和相交的內(nèi)外底縱骨，部分模型如圖7所示。網(wǎng)格大小設(shè)置為25mm×25mm。

圖7 底邊艙斜板（左）、槽形橫艙壁（右）

4.2 驗(yàn)收衡準(zhǔn)

經(jīng)過(guò)網(wǎng)格細(xì)化計(jì)算后得到膜力，如果其數(shù)值不超過(guò)規(guī)范中的最大許用值（見(jiàn)表8），則可認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)的屈服性能滿(mǎn)足要求。

表中：屈服利用因子

表8 最大許用von Mises應(yīng)力

4.3 計(jì)算結(jié)果

利用Nastran對(duì)各工況的計(jì)算得到局部單元細(xì)化結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度，進(jìn)而計(jì)算出屈服利用因子見(jiàn)表9所示。部分單元細(xì)化結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力云圖見(jiàn)圖8～圖11示。

表9 單元細(xì)化應(yīng)力結(jié)果

圖8 底邊艙斜板處屈服應(yīng)力（工況S+D）

圖10 槽形橫艙壁屈服應(yīng)力（工況S+D）

由計(jì)算結(jié)果可以看出：橫艙壁和縱艙壁部位相比于其他部位的應(yīng)力水平較高，但均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)；對(duì)比不同工況，發(fā)現(xiàn)S+D（航行工況）下應(yīng)力水平高于S（港內(nèi)和艙室試驗(yàn)工況），說(shuō)明S工況的安全系數(shù)更高?？偟膩?lái)說(shuō)，該油船艙段關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)細(xì)化模型屈服應(yīng)力符合HCSR規(guī)范要求，安全性能滿(mǎn)足衡準(zhǔn)。

5 結(jié)論

1）參照HCSR規(guī)范對(duì)中部貨油艙區(qū)域強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算分析表明：本油船艙段結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度、曲屈強(qiáng)度以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)局部細(xì)化網(wǎng)格強(qiáng)度均滿(mǎn)足規(guī)范衡準(zhǔn)要求，艙段結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計(jì)合理，從而證明無(wú)頂?shù)试O(shè)計(jì)是合理可行的。

2）通過(guò)兩種工況對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在S（港內(nèi)和艙室試驗(yàn)工況）下應(yīng)力水平普遍較低，安全系數(shù)較高，在S+D（航行工況）下應(yīng)力水平較高，局部有應(yīng)力集中現(xiàn)象。在相同工況下，強(qiáng)框架的應(yīng)力水平最高，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮強(qiáng)框架，尤其是端部和其他主要支撐構(gòu)件相鄰區(qū)域可做加強(qiáng)處理。

圖9 底邊艙斜板處屈服應(yīng)力（工況S）

圖11 槽形橫艙壁屈服應(yīng)力（工況S）

3）通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)槽形艙壁不設(shè)置頂?shù)示哂腥缦聝?yōu)點(diǎn)：不僅方便清艙，還能提高貨艙容積，減輕空船重量，從而降低建造成本及運(yùn)營(yíng)成本。本文結(jié)論可為其他同類(lèi)型船舶的超規(guī)范設(shè)計(jì)和計(jì)算提供一定的參考和借鑒。

［1］RINA Ltd.Significant Ships of 2012［J］.The Royal Institution of Naval Architects，2015（4）：50-53.

［2］劉政權(quán)，文彥.70000噸成品油/原油船中縱槽形艙壁優(yōu)化設(shè)計(jì)［C］//孫培廷，劉玉君.2006中國(guó)大連國(guó)際海事論壇論文集.大連：大連海事大學(xué)出版社，2006：220-225.

［3］何皛磊，尹群.大型油船槽形艙壁結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)及模糊綜合評(píng)判［J］.船舶工程，2010，32（1）：15-19.

［4］林海，蔣曄鵬，尚亞杰.70000噸級(jí)載重量巴拿馬型原油/成品油船船型開(kāi)發(fā)［J］.船舶，2004（6）：1-4.

［5］中國(guó)船級(jí)社.國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范（2015版）［S］.北京：人民交通出版社，2015.

［6］IACS.Harmonized Common Structure Rules for Bulk Carriers and Oil Tanks［S］.London UK:IACS，2015.