75000DWT 化學(xué)品/成品油船底部結(jié)構(gòu)砰擊有限元分析及優(yōu)化

雷雪華 羅秋珍 董旭靜

(廣船國(guó)際技術(shù)中心)

0 前言

目前船舶船首底部砰擊一般采用共同結(jié)構(gòu)CSRH 規(guī)范校核，通過規(guī)范校核計(jì)算得出砰擊區(qū)域底部實(shí)肋板所要求的規(guī)格尺寸，該厚度通常會(huì)比規(guī)范中的最小厚度的取值偏大。因船舶設(shè)計(jì)建造過程中對(duì)空船重量控制有著較高的要求，若砰擊區(qū)域采用較大的板厚和結(jié)構(gòu)尺寸將會(huì)導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)重量的增加。在滿足對(duì)砰擊要求的前提下，以減輕整船空船重量為目標(biāo)，優(yōu)化船體底部結(jié)構(gòu)的實(shí)肋板設(shè)計(jì)。本文通過MSC PATRAN 有限元軟件，根據(jù)75000DWT 化學(xué)品/成品油船船艏底部砰擊的載荷情況采取有限元的方式進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，保證滿足CSRH規(guī)范要求的前提，也減輕了船舶的結(jié)構(gòu)重量。

1 規(guī)范對(duì)砰擊計(jì)算的要求

根據(jù)規(guī)范要求，為抵抗船底砰擊壓力，在船底砰擊區(qū)域內(nèi)，當(dāng)所有壓載艙滿艙或任一液艙為空艙，并且船舶最小首吃水小于0.045L 的情況下，船底前端應(yīng)進(jìn)行額外的加強(qiáng)。加強(qiáng)范圍為艏垂線向后0.3L的船底平坦區(qū)域及從基線起500mm高度范圍內(nèi)相連接的板和骨材。為了保持縱向和/或橫向強(qiáng)度的連續(xù)性，船底砰擊加強(qiáng)區(qū)域以外的結(jié)構(gòu)尺度采用逐漸過渡的方式。

首部區(qū)域所受的外部砰擊壓力PSL的設(shè)定根據(jù)以下兩種工況：

其余參數(shù)見CSRH 規(guī)范2016 第9 篇第1 部分第4 章第5 節(jié)3.2 底部砰擊壓力。

1.1 主要支撐構(gòu)件的船底砰擊載荷區(qū)域

規(guī)范中規(guī)定的構(gòu)件尺度是基于砰擊壓力在船體外板理想?yún)^(qū)域的應(yīng)用，砰擊載荷區(qū)域ASL，單位m2為：

計(jì)算時(shí)，將砰擊載荷按正方形的方式作用在外板上進(jìn)行受力分析。

1.2 主要支撐構(gòu)件的凈剪切面積

每個(gè)主要支撐構(gòu)件在其跨距范圍內(nèi)的任何位置處的腹板凈剪切面積Ashr-n50，單位cm2應(yīng)不小于：

式中：—考慮位置處的由于砰擊引起的最大剪力，kN 基于FSL塊載荷作用在最嚴(yán)重位置，如b確定；

Ct—許用剪切應(yīng)力系數(shù)：Ct=0.9。

對(duì)于帶腹板開孔的主要支撐構(gòu)件剪切面積計(jì)算，主要支撐構(gòu)件的高度須扣除開孔所占腹板的高度，厚度取腹板的凈厚度。

1.3 主要支撐構(gòu)件的砰擊剪力的簡(jiǎn)化計(jì)算

對(duì)于主要支撐構(gòu)件的簡(jiǎn)單布置，可忽略板架的影響，剪力QSL，單位kN 按下式計(jì)算：

bSL—主要支撐構(gòu)件支撐的砰擊區(qū)域的寬度，單位m，取：但應(yīng)不大于S 強(qiáng)框架間距。

表1 具體載荷分布表

圖1 fdist 沿簡(jiǎn)單主要支撐構(gòu)件跨距方向的分布

圖2 有限元砰擊模型邊界條件

圖3 剪力分配規(guī)律示意圖

1.4 主要支撐構(gòu)件的腹板厚度

外板附近的主要支撐構(gòu)件腹板的凈厚度tw,單位mm，應(yīng)不小于：

式中：SW—板寬度，mm，取腹板骨材間距。

2 有限元模擬受力計(jì)算

圖4 優(yōu)化前實(shí)肋板板厚分布詳圖

圖6 優(yōu)化前實(shí)肋板單元板格剪切應(yīng)力分布

該模型采用通用有限元軟件MSC PATRAN 進(jìn)行建模，計(jì)算則使用MSC NASTRAN 程序。模型的范圍選取按照規(guī)范對(duì)砰擊計(jì)算區(qū)域范圍要求，需將砰擊區(qū)域包含在內(nèi)（砰擊區(qū)域?yàn)镕R218+150 至艏），故船長(zhǎng)方向從FR215 至FR311，船寬方向從左舷至右舷，垂向范圍除上甲板以上的甲板室和擋浪板等的全深范圍內(nèi)都建模，如圖2 所示。其中外板、上甲板、內(nèi)殼、內(nèi)底、縱橫艙壁、水平桁、強(qiáng)框架等各主要支撐構(gòu)件用板殼單元進(jìn)行模擬。因砰擊區(qū)域內(nèi)主要考慮肋板和縱桁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，對(duì)于肋板和縱桁結(jié)構(gòu)中的減輕孔、人孔等開孔位置應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬。骨材、加強(qiáng)筋和面板等用梁?jiǎn)卧硎?，梁?jiǎn)卧璋凑諏?shí)船設(shè)計(jì)的朝向進(jìn)行偏心處理。為了簡(jiǎn)化建模且對(duì)計(jì)算結(jié)果無明顯影響，一些較小的結(jié)構(gòu)不建模。網(wǎng)格在X 方向按肋位號(hào)，Y 方向按縱骨間距進(jìn)行劃分，單元尺寸約700X700 毫米，與肋距相當(dāng)。

圖7 優(yōu)化后實(shí)肋板板厚分布詳圖

圖8 優(yōu)化后的有限元模型實(shí)肋板板厚

圖9 優(yōu)化后實(shí)肋板單元板格剪切應(yīng)力分布

模型根據(jù)實(shí)船的構(gòu)件尺寸建模，板的厚度按規(guī)范要求扣除一半的腐蝕余量。開孔的位置要考慮構(gòu)件的剪切面積要求，同時(shí)也應(yīng)檢查主要支撐構(gòu)件的連接過渡是否合適等。

3 邊界條件、載荷工況與衡準(zhǔn)

3.1 邊界條件

為了提供足夠的約束，控制模型整體的自由度，以便于有限元軟件的計(jì)算求解，在不影響砰擊計(jì)算結(jié)果的情況下，在甲板面的所有連接點(diǎn)限制產(chǎn)生位移，端部節(jié)點(diǎn)約束X、Y、Z 三個(gè)方向的平動(dòng)自由，具體情況見圖2。

3.2 載荷工況

在船底砰擊區(qū)域內(nèi)，考慮實(shí)肋板開孔的實(shí)際情況，根據(jù)剪力分配的規(guī)律進(jìn)行加載（見圖3）。首先實(shí)肋板依照不同板厚分成幾個(gè)區(qū)域，然后將船體外板砰擊載荷按照不同位置設(shè)置成若干的塊載荷，再通過判斷各個(gè)區(qū)域的剪切應(yīng)力分布，最后采用MSC軟件內(nèi)開發(fā)的載荷模塊TOTAL LOAD 將載荷施加相應(yīng)區(qū)域的網(wǎng)格上。按規(guī)范關(guān)于砰擊區(qū)域面積范圍的規(guī)定，及對(duì)主要支撐構(gòu)件長(zhǎng)度與寬度的要求，載荷作用范圍選取為砰擊區(qū)域面積內(nèi)的網(wǎng)格單元，使船底砰擊載荷區(qū)域大小分別施加在外板上。

作用載荷的大小從HCSR 規(guī)范校核中每個(gè)肋位所在位置的砰擊壓力值計(jì)算得出，外板上用于底部砰擊壓力的設(shè)計(jì)載荷見表1 所示。

3.3 衡準(zhǔn)

在砰擊對(duì)載荷作用下，船艏底部結(jié)構(gòu)需承受最大的剪切應(yīng)力。

4 計(jì)算結(jié)果分析

選取船艏底部砰擊區(qū)域的某實(shí)肋板板厚32 毫米為例，該區(qū)域內(nèi)的最大剪切應(yīng)力僅為72.9MPa，25 毫米板厚區(qū)域內(nèi)的最大剪切應(yīng)力為87.7MPa。通過與衡準(zhǔn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，剪切應(yīng)力滿足要求，而且余量較大，部分實(shí)肋板結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力小于許用剪切應(yīng)力較多。在滿足規(guī)范對(duì)主要支撐構(gòu)件腹板厚度的前提下，對(duì)實(shí)肋板板厚富裕較大的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化處理，還要同時(shí)考慮三艙段有限元對(duì)實(shí)肋板的要求。將優(yōu)化后的板厚輸入有限元模型中，再次進(jìn)行計(jì)算，反復(fù)迭代，直至滿足砰擊強(qiáng)度和三艙段強(qiáng)度要求條件下達(dá)到優(yōu)化。本例中優(yōu)化后的實(shí)肋板板厚由32 毫米減薄至25 毫米后，最大的剪切應(yīng)力為92.6MPa，25毫米板厚減薄至20 毫米后，最大剪切應(yīng)力為96.3MPa，仍然滿足剪切強(qiáng)度要求。通過對(duì)比于同一位置修改前后的實(shí)肋板板厚，兩者相差甚大，最大的差值可達(dá)到7mm。全船共節(jié)省鋼板重量約16 噸，圖4～圖9 為FR259 優(yōu)化前后結(jié)果的對(duì)比圖。

5 結(jié)束語

隨著船舶行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，對(duì)于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也越來越高，尤其是在控制空船重量方面。而本文通過采用有限元直接計(jì)算的方法有效的減輕了船體結(jié)構(gòu)重量，而且同時(shí)本船船艏底部砰擊的有限元計(jì)算方法與優(yōu)化后的結(jié)果也已取得船級(jí)社的認(rèn)可。進(jìn)一步說明本文的計(jì)算分析方法是可行的，可減少在鋼材采購(gòu)上的成本支出。同時(shí)從施工工藝角度方面考慮，焊接、裝配工作量明顯縮短，施工復(fù)雜程度也會(huì)相對(duì)降低。