劉 文 華

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 200032）

0 引 言

82000t散貨船屬于巴拿馬型散貨船，根據(jù)巴拿馬運(yùn)河當(dāng)局的規(guī)定[1]，船長不能超過289.6m，船寬不能超過32.3m。對本船設(shè)計影響較大的規(guī)范是2006年4月1日生效的散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范和2009年1月1日生效的國際海上人命安全公約（SOLAS）破艙穩(wěn)性規(guī)則。前者決定了船體結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸，后者對貨艙長度的選取有很大影響。本船的母型船不滿足后者要求，需要改變貨艙長度。

為研究規(guī)范變化對船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，首先按照美國船級社（ABS）2005規(guī)范[2]要求，采用SAFEHULL V12.0對母型船貨艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。其次根據(jù)國際船級社協(xié)會（IACS）在2008年7月和 2009年 7月推出了散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（CSR）新版本[3,4]，采用MSC Patran/Nastran及中國船級社開發(fā)的軟件CCS-Tools，對新船型的貨艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計算。

1 基于ABS規(guī)范2005版的母型船有限元分析

根據(jù)ABS 2005規(guī)范第5部分第3章要求， 進(jìn)行有限元分析時，構(gòu)件需采用凈厚度（總厚度減去名義腐蝕值），進(jìn)行有限元分析的工況有10種，有限元建模按指南要求[5]，采用三艙段模型，網(wǎng)格大小為肋骨間距。本文利用Patran建模，手工扣除腐蝕余量，再導(dǎo)入SAFEHULL加載，母型船的有限元模型見圖1。通過對10種工況的計算結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)母型船的設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。限于篇幅，僅給出工況1的艙段變形及應(yīng)力云圖，見圖2。

圖1 母型船有限元模型

圖2 母型船艙段變形及應(yīng)力云圖（工況1）

2 基于 CSR2008版的新船型有限元分析

2.1 CSR簡介

CSR綜合了IACS成員的經(jīng)驗(yàn)與研究成果。同原有的各船級社規(guī)范相比，在設(shè)計理念、理論基礎(chǔ)和強(qiáng)度計算方法上有很大改變。較原規(guī)范主要依據(jù)統(tǒng)計回歸和經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計，新規(guī)范更多地應(yīng)用了先進(jìn)的力學(xué)理論，結(jié)構(gòu)設(shè)計和評估需要更多地采用直接計算分析。下面簡要介紹CSR對直接強(qiáng)度計算影響較大的兩個方面：

1)凈尺寸方法

其中：tgross_required——總要求厚度；

tnet_required——凈要求厚度；

tc——腐蝕余量。

其中：tgross_offered——總提供厚度；

tas_built——建造厚度；

t voluntary_addition ——自愿增加厚度。

其中：tnet_offered——凈提供厚度。

模型中構(gòu)件厚度=tgross_offered-0.5 tc，屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度粗網(wǎng)格計算時；

模型中構(gòu)件厚度=tgross_offered-tc，屈曲強(qiáng)度計算時。

2)采用等效設(shè)計波（EDW）概念

CSR采用等效設(shè)計波方法用于設(shè)定設(shè)計載荷，包括在靜水中和波浪中的船體梁載荷以及與板垂直的側(cè)向載荷。與等效設(shè)計波對應(yīng)的載荷工況有 8種，分別為H1、H2、F1、F2、R1、R2、P1和P2。以前的散貨船規(guī)范中，對波浪僅考慮波峰和波谷兩種情況，沒有考慮橫浪。等效設(shè)計波方法考慮了橫浪，從而使不同裝載模式下直接計算的載荷工況增加。

由于CSR的復(fù)雜性，無法用傳統(tǒng)的手工計算方法確定載荷和處理結(jié)果。而且，在CSR的直接計算規(guī)范中，由于大大增加了工況數(shù)以及大量引入細(xì)網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格分析，從而極大地增加了直接計算的工作量。

CSR2008版主要是對文字的編輯性修改[6]，對于有限元分析影響不大。

2.2 屈服強(qiáng)度分析

一般巴拿馬型散貨船有7個貨艙，分別設(shè)有重貨艙、輕貨艙和風(fēng)暴壓載艙。在進(jìn)行艙段分析時，分別需要建立3個有限元模型進(jìn)行分析?，F(xiàn)對目標(biāo)艙為輕貨艙兼風(fēng)暴壓載艙的有限元結(jié)果進(jìn)行介紹。該模型需要分析22種工況，圖3給出了CCS軟件生成工況的界面。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)屈服強(qiáng)度不夠的地方主要是靠近橫艙壁處的底邊艙斜板，圖4給出了底邊艙斜板的應(yīng)力云圖。

圖3 工況定義

2.3 屈曲強(qiáng)度分析

通過分析，發(fā)現(xiàn)屈曲強(qiáng)度不夠的地方主要是船底板和甲板。解決的辦法有2種。1種是增加板厚，從而減少壓應(yīng)力；另1種就是加筋，從而減小板格，滿足屈曲強(qiáng)度要求。圖5給出CCS軟件屈曲計算的界面，圖6給出了上甲板屈曲強(qiáng)度云圖。

圖4 底邊艙斜板Von-Mises應(yīng)力云圖

圖5 屈曲計算界面

圖6 上甲板屈曲強(qiáng)度云圖

2.4 疲勞強(qiáng)度分析

疲勞破壞是一個極其復(fù)雜的過程，各船級社都有關(guān)于船舶疲勞強(qiáng)度校核的規(guī)定，但存在很大的差別，CSR分別統(tǒng)一了油船和散貨船的疲勞計算方法。對疲勞敏感區(qū)進(jìn)行分析時，須先在整體艙段模型中重新定義載荷及工況，得到結(jié)果用于精細(xì)網(wǎng)格模型分析。圖7給出了內(nèi)底與底凳斜板相交處精細(xì)網(wǎng)格模型，圖8給出了構(gòu)件相交處的上表面主應(yīng)力云圖。

計算結(jié)果表明，該處的疲勞壽命低于 25年。為此可參照文獻(xiàn)[7]的方法，對其進(jìn)行加強(qiáng)：

1)增加折角處內(nèi)底板的厚度；

2)提高該處焊縫的厚度；

3)對該處焊縫予以打磨（2008版CSR對此方式暫不認(rèn)可）。 此外，如果是在方案設(shè)計階段，可以通過改變結(jié)構(gòu)形式，提高疲勞壽命。但如果改變結(jié)構(gòu)布置，需要重新進(jìn)行艙段FE建模，工作量很大。

圖7 內(nèi)底與底凳斜板相交處精細(xì)網(wǎng)格模型

圖8 上表面主應(yīng)力云圖（工況1-1）

3 基于 CSR2009版的新船型有限元分析

3.1 CSR2009版主要修訂點(diǎn)

本次規(guī)范修訂對于有限元分析影響較大的方面有如下幾點(diǎn)：

1)腐蝕余量。重新定義壓載艙 3m 范圍的區(qū)域，底邊艙斜板的腐蝕余量將減少0.5mm。

2)邊界條件。增加模型尾端獨(dú)立點(diǎn)繞 X軸的轉(zhuǎn)角，這將對上甲板屈曲計算結(jié)果有較大的影響。

3)相對撓度的定義。在這次規(guī)范修訂中更加明確，從實(shí)際計算看，影響不大。

4)焊接殘余應(yīng)力的定義。在這次規(guī)范修訂中變化很大，對接焊縫和十字型焊縫的殘余應(yīng)力都將為零，這樣有可能減少平均應(yīng)力系數(shù)，從而增加構(gòu)件的疲勞壽命。

5)本次規(guī)范修訂中增加了焊縫打磨的影響，這將有利于增加構(gòu)件的疲勞壽命。

3.2 屈服強(qiáng)度分析

通過分析，邊界條件的改變對構(gòu)件屈服強(qiáng)度的影響不大，構(gòu)件屈服強(qiáng)度不夠的區(qū)域分布規(guī)律與之前的相同。需指出的是，上甲板區(qū)域的相當(dāng)應(yīng)力減小的范圍，與文獻(xiàn)[6]中的計算結(jié)果相似。從表1中可以看出，邊界條件修改后，上甲板的應(yīng)力值降低。

3.3 屈曲強(qiáng)度分析

計算結(jié)果表明，邊界條件的改變對上甲板的有限元計算結(jié)果有較大影響，對其它區(qū)域的構(gòu)件影響不大。分析原因，上甲板由于邊界條件改變，不合理的壓應(yīng)力值減小，從而增加了屈曲安全系數(shù)。

3.4 疲勞強(qiáng)度分析

焊接殘余應(yīng)力的修改對于壓載艙構(gòu)件疲勞強(qiáng)度影響不大，但有利于空艙構(gòu)件。通過焊縫打磨，構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度有明顯的提高，本文的計算結(jié)果與文獻(xiàn)[6]一致。圖9給出了文獻(xiàn)[6]中修改焊接殘余應(yīng)力和焊縫打磨與規(guī)范修改前的累積疲勞損傷對比。圖中CSR-B指規(guī)范修改前的計算值，mod_1指修改焊接殘余應(yīng)力后的計算值，mod_1（G）指焊縫打磨后的影響。

表1 甲板條取樣點(diǎn)在滿載斜浪工況（P1）下的應(yīng)力值[6]

圖9 修改焊接殘余應(yīng)力和焊縫打磨與規(guī)范修改前的累積疲勞損傷對比

4 結(jié) 語

新規(guī)范、新公約的推出，有力地促進(jìn)了散貨船的升級。新開發(fā)的 82000t散貨船的優(yōu)化開發(fā)是在新規(guī)范的指導(dǎo)下完成的。通過母型船和新船型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，得到以下3點(diǎn)結(jié)論：

1)CSR加強(qiáng)了船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計算，通過有限元分析可以決定大部分船體構(gòu)件的最終尺寸；

2)CSR直接計算工作量大，結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度的前提下，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計需要花費(fèi)大量時間，從而增加了船型優(yōu)化的周期；

3)CSR的修訂對船舶設(shè)計有著積極的影響，加大對規(guī)范的研究力度，了解規(guī)范的發(fā)展動態(tài)，對船舶設(shè)計有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] ACP.Regulation on Navigation in Panama Canal Waters[S].2008.

[2] ABS.Rules for Building and Classing Steel Vessels[S].2005.

[3] IACS.Common Structural Rules for Bulk Carriers[S].July 2008.

[4] IACS.Common Structural Rules for Bulk Carriers[S].July 2009.

[5] ABS.Guidance Notes on Safehull Finite Element Analysis of Hull Structures[S].2004.

[6] IACS.Bulk Carrier CSR – Revision History[S].April 2009.

[7] 詹志鵠.油船公共結(jié)構(gòu)規(guī)范中的疲勞強(qiáng)度校核要求[J].艦船標(biāo)準(zhǔn)化工程師, 2005, (6)：17-21.