礦砂船貨艙強(qiáng)度有限元分析

劉健中 孫竹君

摘 要：礦砂船是專門載運(yùn)散裝礦砂的船舶，礦砂作為一種比重大的散貨，對礦砂船貨艙區(qū)的強(qiáng)度儲備要求較高。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近些年來對礦砂的需求逐年增加，礦砂船作為運(yùn)輸載體也逐年呈現(xiàn)大型化的發(fā)展趨勢。本文運(yùn)用MSC.PATRAN/NASTRAN有限元計算軟件，針對一條自卸礦砂船的貨艙區(qū)域進(jìn)行艙段有限元計算，分析應(yīng)力分布規(guī)律，對礦砂船的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：局部強(qiáng)度;礦砂船;有限元分析

中圖分類號：U674.3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）12-0080-03

1引言

隨著我國近些年經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，中國快速成為了全球最大的基建市場。礦砂作為工程建設(shè)中一種基礎(chǔ)材料，被廣泛使用于房屋建設(shè)、道路建設(shè)中。鐵礦石是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的重要原材料，世界鐵礦資源主要集中在澳大利亞、巴西、俄羅斯、烏克蘭、哈薩克斯坦、印度、美國、加拿大、南非等國。中國作為世界上首大鐵礦石需求國，本國的鐵礦品質(zhì)并不能滿足國內(nèi)需求，約70%的鐵礦需求依賴于進(jìn)口。截止2020年底統(tǒng)計，我國進(jìn)口鐵礦金額8228.7億元，上漲17.8%。

我國礦砂的主要來源為礦山和河道。沿江沿海地區(qū)憑借物流運(yùn)輸條件的優(yōu)勢，是礦山資源開發(fā)的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域[1]。

在日益龐大的礦砂需求下，礦砂船作為運(yùn)輸載體也逐年呈現(xiàn)大型化的發(fā)展趨勢。礦砂作為一種比重大的散貨，對礦砂船貨艙區(qū)的強(qiáng)度儲備要求較高。國內(nèi)已有學(xué)者針對礦砂船艙口間甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析[2]，提出該位置較容易發(fā)生梁、柱及板材的屈曲?？v向艙口圍板不連續(xù)，導(dǎo)致艙口角隅處產(chǎn)生應(yīng)力集中[3]。本文選擇一條甲板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、艙口圍板縱向連續(xù)的礦砂船貨艙艙段，根據(jù)中國船級社《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（以下簡稱規(guī)范），運(yùn)用MSC.PATRAN/ NASTRAN進(jìn)行有限元計算，對其應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析，為進(jìn)一步優(yōu)化礦砂船的貨艙段船體結(jié)構(gòu)，為該類型船舶的大型化提供數(shù)據(jù)支持。

2船體結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1? 結(jié)構(gòu)模型

2.1.1? 目標(biāo)船主要參數(shù)

本文以某沿海遮蔽航區(qū)72.8m自卸礦砂船為例，進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算。該船總長72.8 m，垂線間長68.8 m，型寬15.2 m，型深4.3 m，設(shè)計吃水3.305 m。

2.1.2? 有限元結(jié)構(gòu)模型

本文按照《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，采用子結(jié)構(gòu)建模技術(shù)對目標(biāo)船進(jìn)行建模。模型范圍選取為半寬模型，1/2艙長+1/2艙長，艙段模型的縱向范圍從28肋位到59肋位;垂向范圍為船體型深;模型外板、斜板、艙壁板、強(qiáng)框架、肋板、縱桁、肋骨腹板、甲板縱桁腹板、艙口圍板等結(jié)構(gòu)用殼單元模擬，縱骨、肋骨等加強(qiáng)筋用梁單元模擬。船體材料的彈性模量E=2.06×105 MPa;泊松比0.3;密度7.85t/m3。船體結(jié)構(gòu)模型如圖1-圖3所示。

2.1.3? 坐標(biāo)系

本模型坐標(biāo)系為：原點(diǎn)位于Fr28號船底中線處，X軸向船艏為正方向，Y軸向左舷為正方向，Z軸向上為正方向。

2.1.4? 邊界條件

模型的兩端（簡稱A端和B端）和中縱剖面（CL）均需約束詳細(xì)邊界條件見表1。

2.2? 工況及載荷

2.2.1? 計算工況

根據(jù)穩(wěn)性計算書，選取滿載散貨出港和壓載出港兩種計算工況，見表2。

2.2.2? 舷外水壓力

根據(jù)《規(guī)范》第2篇1.5.3，舷外水壓力由海水靜壓力和海水動壓力兩部分組成。載荷示意圖如3所示。海水動壓力包括：

（1）舷側(cè)水線處海水動壓力PWL;

（2）船底邊緣處（舭部）海水動壓力PBS;

（3）船底中縱剖面處海水動壓力PBC;

（4）水線面以下任意點(diǎn)的海水動壓力Phd;

（5）水線面以上舷側(cè)外板上任意點(diǎn)的海水動壓力Phd;

（6）露天甲板的上浪載荷Pwdk。

2.2.3? 貨物壓力

根據(jù)《規(guī)范》第2篇1.5.4.3，取本船散貨裝載至艙口圍板頂部。

3 分析結(jié)果及結(jié)論

3.1? 分析結(jié)果匯總

礦砂船貨艙分段的強(qiáng)度有限元應(yīng)力匯總見表3。典型應(yīng)力較大位置如圖3-圖4所示。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果如下：

（1）全船應(yīng)力最大值出現(xiàn)在LC1工況即滿載時FR50肋位，距中1200mm處船底縱骨。由于貨艙區(qū)滿載至艙口圍板，巨大的貨物壓力被3道縱艙壁及艙口圍板分擔(dān)，應(yīng)力傳導(dǎo)至船底，可見船底中內(nèi)龍骨附近承受了較大應(yīng)力。建議該位置船底板進(jìn)行板厚加強(qiáng)。

（2）LC1工況即滿載時FR28肋位艙口圍板垂直桁與艙口圍板、甲板板交界處應(yīng)力較大。貨艙區(qū)傾斜板承受的貨物壓力由下方的縱艙壁、艙口圍板及其垂直桁承擔(dān)。得益于艙口圍板的連續(xù)設(shè)計，艙口角隅處應(yīng)力集中得到了很好的緩解。

（3）從應(yīng)力匯總表可以看出，貨艙斜板與三道縱艙壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以很好的分擔(dān)貨物壓力，提供可觀的貨艙區(qū)強(qiáng)度，但是犧牲了貨艙體積。

4結(jié)論

本文以某沿海遮蔽航區(qū)自卸礦砂船為例，運(yùn)用子建模技術(shù)，對船體貨艙分段進(jìn)行建模計算，對本船結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布進(jìn)行分析。本船在結(jié)構(gòu)上犧牲了貨艙體積換來了良好的貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。如何在經(jīng)濟(jì)性和安全性上取得平衡，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是礦砂船大型化的難點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王達(dá)川，姚海元，李宜軍.我國沿海港口40萬噸級礦石碼頭新布局[J].水運(yùn)工程，2021，{4}（06）：54-60.

[2]潘曼，朱凌，DAS Purnendu Kumar.礦砂船艙口間甲板結(jié)構(gòu)的可靠性評估[J].船舶力學(xué)，2020，24（01）：118-126.

[3]顧俊，何建軍，傅建鵬，彭亞康.散貨船連續(xù)縱向艙口圍板設(shè)計[J].船海工程，2019，48（06）：1-5.

[4]中國船級社， 《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》2021[S].