紙漿船貨艙區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

劉沛鑫

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

我國是造紙大國，近年來造紙行業(yè)的市場(chǎng)份額逐年上升，2020年1月～10月中國紙漿進(jìn)口數(shù)量為2 531萬噸，同比增長288萬噸，增幅為12.9%。紙漿貿(mào)易的飛速發(fā)展對(duì)紙漿運(yùn)輸?shù)男枨蟠蠓岣?，并為紙漿船帶來巨大的發(fā)展機(jī)會(huì)。船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)保障紙漿船的安全性和可靠性非常重要，不同規(guī)范雖有所不同，但其合理性均經(jīng)過了實(shí)踐檢驗(yàn)，各規(guī)范的計(jì)算方法均偏于保守，只是保守程度存在差別。在進(jìn)行船體強(qiáng)度分析時(shí)，人工計(jì)算往往會(huì)帶來較大的誤差，而有限元法精度較高。目前，有限元法在船舶結(jié)構(gòu)領(lǐng)域已應(yīng)用于整船強(qiáng)度分析、靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中分析、結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析、構(gòu)件屈曲和極限強(qiáng)度研究等方面。本文對(duì)60 000 t紙漿船貨艙區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，利用有限元軟件MSC/PATRAN分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并在此基礎(chǔ)上對(duì)紙漿船進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 紙漿船介紹

60 000 t紙漿船的主尺度見表1。

表1 60 000 t紙漿船主尺度

2 有限元建模

2.1 方法介紹

有限元的計(jì)算是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展而起來的一種數(shù)據(jù)分析方法，以矩陣為表達(dá)形式，物量概念較為明確，數(shù)學(xué)邏輯較為嚴(yán)謹(jǐn)，便于計(jì)算機(jī)編程及計(jì)算，可解決很多工程應(yīng)用問題。

有限元直接計(jì)算法就是將原有結(jié)構(gòu)物網(wǎng)格劃為若干單元，單元與單元用節(jié)點(diǎn)來相連接，用近似函數(shù)來替代單元內(nèi)部的真實(shí)變量，從中求得網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型的近似值。雖然有限元直接計(jì)算法在無限域、應(yīng)力集中問題與裂縫體分析等方面有一定程度的不足，但是相對(duì)于大部分結(jié)構(gòu)問題，都能求出比較理想的近似解，具有很強(qiáng)的通用性與適應(yīng)性。大型結(jié)構(gòu)由于其局部非線性特征或者是較復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu)形式，往往難以直接計(jì)算得到解析值，而有限元法通過對(duì)約束、結(jié)構(gòu)及載荷的模擬，便于快速求出精度很高的近似解。因此，有限元法在科研領(lǐng)域與工程實(shí)際取得了非常廣泛的應(yīng)用。

近些年來，隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷發(fā)展，有限元在船舶結(jié)構(gòu)仿真分析方面取得很大進(jìn)步。從千萬節(jié)點(diǎn)級(jí)別的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)分析到百萬節(jié)點(diǎn)級(jí)別的龐大結(jié)構(gòu)分析、從線性計(jì)算到非線性計(jì)算，有限元法對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算能力提升明顯。有限元仿真在船舶的振動(dòng)、碰撞、屈曲強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分析等方面起著愈來愈重要的作用，為船舶的設(shè)計(jì)與事故分析供應(yīng)了相當(dāng)有力的分析工具。

本文采用MSC/PATRAN軟件對(duì)60 000 t紙漿船貨艙區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.2 單位及坐標(biāo)系

本文的有限元模型采用毫米單位制，物理量與單位情況見表2。

表2 物理量與單位情況

三維空間坐標(biāo)系滿足右手法則，軸正方向由艉部指向艏部，軸正方向從右舷指向左舷，軸正方向從船底指向甲板。

2.3 模型與單元

60 000 t紙漿船為雙殼雙底結(jié)構(gòu)，雙殼和雙層底是連通的，貨艙區(qū)域?yàn)榭v骨架式。60 000 t紙漿船貨艙區(qū)域有限元模型見圖1。模型在方向上取為2倍艙室長度，方向上取整寬，方向上取整高。劃分網(wǎng)格時(shí)需要根據(jù)肋距模型和縱骨間距選擇網(wǎng)格尺寸，采用Beam單元和Shell單元對(duì)貨艙各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行仿真。

圖1 貨艙區(qū)域有限元模型

2.4 材料參數(shù)

有限元仿真選取的材料參數(shù)見表3。

表3 材料參數(shù)

3 工況設(shè)置

有限元分析時(shí)需要考慮裝載模式與動(dòng)載荷模式。裝載模式應(yīng)包括各種可能的貨艙局部載荷情況，以及不同載荷組合。

3.1 工況選取

本文選取裝載模式下的2種工況進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析：

1）均質(zhì)滿載（輕貨）工況

均質(zhì)滿載（輕貨）工況需要考慮船體重力+波浪壓力+輕貨載荷。

2）均質(zhì)滿載（重貨）工況

均質(zhì)滿載（重貨）工況需要考慮船體重力+波浪壓力+重貨載荷。

3.2 輪廓與載荷

60 000 t紙漿船貨艙區(qū)域輪廓示意圖見圖2。模型需要考慮動(dòng)載荷與靜載荷。動(dòng)載荷主要包括舷外水動(dòng)壓力、貨物動(dòng)載荷與船體梁動(dòng)載荷；靜載荷包括舷外靜水壓力、貨物重力和結(jié)構(gòu)重力。

圖2 貨艙區(qū)域輪廓示意圖

4 計(jì)算結(jié)果

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核前，需要將總體載荷工況和局部載荷工況產(chǎn)生的應(yīng)力合成為Von Mises應(yīng)力，其計(jì)算公式為

式中：為Von Mises應(yīng)力；σ、σ分別為方向和方向上的正應(yīng)力分量；為切應(yīng)力。

各主要構(gòu)件的許用Von Mises應(yīng)力[]和許用切應(yīng)力[]見表4。

表4 各主要構(gòu)件的許用應(yīng)力

4.1 外底板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

外底板Von Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖3，最大應(yīng)力出現(xiàn)在02_Homo2_Hog中拱處，該處材料為AH36鋼，最大應(yīng)力值為262 MPa，小于許用值306 MPa，滿足中國船級(jí)社（China Classification Society，CCS）的相關(guān)要求。

圖3 外底板Von Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4.2 橫艙壁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

橫艙壁Von Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖4，最大應(yīng)力出現(xiàn)在061_HC Loads_Heavy_Hog中拱處，該處材料為AH36鋼，最大應(yīng)力值為209 MPa，小于許用值243 MPa，滿足CCS的相關(guān)要求。

圖4 橫艙壁Von Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

本文對(duì)60 000 t紙漿船貨艙區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，利用有限元軟件MSC/PATRAN對(duì)不同工況下的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算與分析。結(jié)果表明：各工況下外板與橫艙壁的應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力值，滿足CCS規(guī)范要求。本文研究成果可為紙漿船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定指導(dǎo)。