大寬深比甲板貨船載貨區(qū)域橫向強(qiáng)度校核分析

宋鵬克，張為利

（安徽省江淮船舶檢驗(yàn)局，安徽合肥 230011）

0 引 言

近年來，隨著海上工程項(xiàng)目日益增多，甲板貨船得到了船廠和船東的廣泛關(guān)注。甲板貨船具有建造成本低、施工工藝簡單、便于裝卸施工和收益率高等優(yōu)點(diǎn)，特別是小型甲板貨船，因具有快捷、靈便的優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。

為能裝載大件貨物，甲板貨船需具有較大的寬深比B/D，對于B/D ＞3 的甲板貨船，根據(jù)2018 年《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》12.1.3.7 的要求，應(yīng)采用直接計(jì)算法校核其橫向強(qiáng)度。本文以某49 m沿海甲板貨船為例，采用有限元軟件對其貨艙段主要構(gòu)件建立有限元模型，并采用計(jì)算軟件對其橫向強(qiáng)度進(jìn)行分析和探討。

1 船舶概況

該船為單底鋼質(zhì)沿海甲板貨船，主要在沿海各港口裝運(yùn)工程輔料、塊狀石料和捆扎線材等建筑材料。船長47.8 m，型寬15 m，型深2.8 m，肋距0.50 m，甲板載荷2 t/m。甲板、船底和舷側(cè)上縱向連續(xù)構(gòu)件有縱骨和縱桁，橫向強(qiáng)框架由強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨和實(shí)肋板組成。船體強(qiáng)框架內(nèi)設(shè)有由柱子和撐桿組成的桁架做支撐。

2 結(jié)構(gòu)模型

2.1 模型范圍

采用MSC.Patran/Nastran軟件進(jìn)行建模和計(jì)算。采用三維有限元模型，根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2018）第2 篇第12 章附錄3.1.1 的規(guī)定：模型橫向范圍取整個(gè)船寬；模型縱向范圍取#47 肋位到#71 肋位（兩端的橫艙壁包括在模型內(nèi)）；模型垂向范圍取整個(gè)型深。甲板和艙壁等平板結(jié)構(gòu)采用板單元模擬；肋板、船底龍骨、甲板縱桁、甲板強(qiáng)橫梁、舷側(cè)縱桁、舷側(cè)強(qiáng)肋骨和艙壁垂直桁等腹板采用板單元模擬；面板采用梁單元模擬；其他小的骨材和支柱采用梁單元模擬。

有限元模型有13 202個(gè)節(jié)點(diǎn)，19 112個(gè)單元。模型材料：彈性模量E =2.06 ×10MPa；泊松比為0.3；密度為7.85 t/m。貨艙段有限元模型見圖1 ～圖3。

圖1 貨艙段有限元模型

圖2 貨艙段有限元模型（隱去甲板）

圖3 施加邊界約束后的貨艙段有限元模型

2.2 邊界條件

根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2018）第2 篇第12 章附錄3.1.3.1 的規(guī)定，模型兩端橫艙壁上所有節(jié)點(diǎn)均約束3 個(gè)線位移，詳細(xì)邊界條件見表1。

表1 邊界條件

3 載荷

3.1 計(jì)算工況

為考慮橫浪作用沿船長方向的局部范圍內(nèi)產(chǎn)生的效果，在計(jì)算工況中采用施加于兩舷的不對稱舷外水壓力模擬該情形。假定一舷側(cè)受靜水壓力與波浪壓力的疊加作用，另一舷側(cè)受靜水壓力與反向波浪動(dòng)壓力的作用。

考慮以下2 種工況：

1）對稱工況，即甲板最大許用荷載+舷外靜水壓力+由外向內(nèi)作用的兩舷對稱受壓的波浪動(dòng)壓力；

2）非對稱工況，即甲板最大許用荷載+舷外靜水壓力+一舷由外向內(nèi)作用、另一舷由內(nèi)向外作用的反對稱波浪動(dòng)壓力。

3.2 舷外水壓力

舷外水壓力由靜水壓力和波浪水動(dòng)壓力2 部分組成。

1）基線處的水壓力的計(jì)算公式為

2）水線處的水壓力的計(jì)算公式為

3）舷側(cè)頂端的水壓力的計(jì)算公式為

式（1）～式（3）中：P為基線處的水壓力，kN/m；P為水線處的水壓力，kN/m；P為舷側(cè)頂端的水壓力，kN/m；系數(shù)C=0.041 2L+4，當(dāng)船長L ＜90 m時(shí)，對于沿海航區(qū)，C值折減0.85；d為吃水，m；P取決于C、d和型深D，按式（4）求得。

3.2.1 對稱工況

基線處的水壓力p=23.956 kN/ m；水線處的水壓力p=17.912 kN/ m；舷側(cè)頂端的水壓力p=15.299 kN/ m。

在軟件中用場模擬由基線到水線處的水壓力，場的方程為23.956 -4.029 ×z（單位為kN/ m）；由水線到舷側(cè)頂端處的場的方程為20.927 -2.01 ×z（單位為kN/ m），甲板上的荷載為2 t/ m，載荷受力示意圖見圖4 ～圖6。

圖4 載荷受力示意圖

圖5 LC1載荷受力示意圖

圖6 LC1載荷受力示意圖（左舷）

3.2.2 非對稱工況

基線處的水壓力p=6.044 kN/ m；水線處的水壓力P=0 kN/ m。

在軟件中用場模擬由基線的水壓力到水線處的水壓力，場的方程為6.044 -15.971 ×z（單位為kN/ m）；甲板上的荷載為2 t/ m，載荷受力示意圖見圖7 ～圖9。

圖7 LC2載荷受力示意圖

圖8 LC2載荷受力示意圖（右舷）

圖9 LC2載荷受力示意圖（左舷）

4 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2018）第2 篇第12 章附錄4.1.1.1 的規(guī)定，有限元的結(jié)果評估取值范圍應(yīng)基于模型中的一個(gè)橫向強(qiáng)框架確定。為安全起見，選取各強(qiáng)框架計(jì)算結(jié)果中的最大值進(jìn)行應(yīng)力評估。

通過對貨艙段變形云圖和應(yīng)力云圖（見圖10 和圖11）進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1）縱、橫艙壁板由于端部約束，應(yīng)力較?。?/p>

2）甲板和甲板縱桁在縱艙壁與舷側(cè)外板中間位置，其變形和應(yīng)力較大；

3）舷側(cè)板在型深中點(diǎn)處的應(yīng)力和變形較大，需在布設(shè)外板時(shí)避開；

4）船底板和船底縱桁在縱艙壁與舷側(cè)外板中間位置，其變形和應(yīng)力較大；

5）應(yīng)力在強(qiáng)結(jié)構(gòu)上明顯集中，應(yīng)力最大位置一般都在強(qiáng)構(gòu)件相交處，因此要保證強(qiáng)構(gòu)件的焊接質(zhì)量，特別是相交處肘板的焊接質(zhì)量。

圖10 艙段變形云圖分布（工況1）

圖11 艙段應(yīng)力云圖分布（工況1 -相當(dāng)應(yīng)力）

5 結(jié) 語

由于大寬深比甲板貨船越來越多，該型船的設(shè)計(jì)已不能僅局限于遵從船舶設(shè)計(jì)規(guī)范，對甲板貨船進(jìn)行強(qiáng)度校核分析非常重要。在本文的橫向強(qiáng)度分析中，船舶承受應(yīng)力的構(gòu)件主要有甲板、舷側(cè)、縱艙壁、船底縱桁和甲板縱桁，這些構(gòu)件的相交處附近應(yīng)力水平較高，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)予以高度重視。本文的分析可供同類型船舶的建造參考。