劉賢賀

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125000）

0 前言

為了保證國際船級社協(xié)會(huì)成員的船舶結(jié)構(gòu)規(guī)范在安全水平上的一致性，2006年4月1日國際船級社協(xié)會(huì)（IACS）《散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》 （Common Structure Rule,CSR）正式實(shí)施。CSR的實(shí)施旨在為船東制造出質(zhì)量更好，結(jié)構(gòu)更加牢靠、安全的船舶。CSR總結(jié)了IACS各成員單位的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)點(diǎn)，制定出統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)規(guī)范，使各船級社都遵守該規(guī)范，避免了船級社為爭取船舶入級而降低標(biāo)準(zhǔn)的情況發(fā)生。同時(shí)，新的規(guī)范更加靈活，有利于船舶制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。

82 000噸散貨船是一艘低速的肥大型船舶，節(jié)能環(huán)保。該船航行于無限航區(qū)、固定單槳、柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)、具有一層連續(xù)上甲板、S球首、方尾、帶有首樓甲板、半平衡舵。它適用于運(yùn)載煤、礦石和散裝谷物，不裝載危險(xiǎn)貨物及甲板貨物。其設(shè)計(jì)滿足CSR共同規(guī)范及其他最新規(guī)范、規(guī)則的要求。由于散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范中規(guī)定：當(dāng)船舶的長度超過150 m時(shí)，需要應(yīng)用三維（3D）有限元（FE）分析對船舶貨艙區(qū)域的主要支撐構(gòu)件進(jìn)行直接強(qiáng)度評估。因此，本文主要通過有限元法對其貨艙區(qū)域的屈服強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評估，使其在滿足規(guī)范要求的前提下，結(jié)構(gòu)更加合理，盡可能的減輕船舶的重量，降低造船成本。

1 計(jì)算模型

1.1 船舶總布置

圖1 船舶總布置圖

1.2 船舶主尺度

總 長 …………………………229.00 m

垂線間長 …………………………225.50 m

型 寬 …………………………32.26 m

型 深 …………………………20.25 m

設(shè)計(jì)吃水 …………………………12.20 m

結(jié)構(gòu)吃水 …………………………14.50 m

方型系數(shù) ……………………………0.878

1.3 模型范圍

按照船舶的裝載工況，應(yīng)對船舶的風(fēng)暴壓載艙、輕載貨艙和重載貨艙進(jìn)行三艙段有限元分析。根據(jù)艙室布置情況，第四貨艙為風(fēng)暴壓載艙，第一、三、五、七貨艙為重載貨艙，第二、六貨艙為輕載貨艙。對于重載貨艙，第五貨艙所處的環(huán)境最為惡劣，所以我們選擇第五貨艙進(jìn)行分析，其他重載貨艙可以用第五貨艙的分析結(jié)果來代替。對于輕載貨艙，由于第六貨艙上面為燃油艙，第二貨艙上面為壓載水艙，而且兩艙的結(jié)構(gòu)稍有不同，所以不能用第六貨艙的結(jié)果代替第二貨艙的結(jié)果，故要對第二和第六貨艙分別進(jìn)行分析。因此，我們需要對第二、四、五、六貨艙進(jìn)行有限元分析。本文以第四貨艙為例進(jìn)行分析。

按照規(guī)范的要求，每一個(gè)需要進(jìn)行分析的貨艙，其模型范圍如下：有限元模型除包括要進(jìn)行分析的貨艙外，還包括其前后相連的貨艙及其橫艙壁、底墩等。模型的兩端應(yīng)形成垂直的平面，兩端面的強(qiáng)框架也應(yīng)該包括在模型當(dāng)中，故在計(jì)算時(shí)，我們只取中間艙的結(jié)果進(jìn)行分析，可減少邊界條件對結(jié)果的影響?？紤]到橫向波浪載荷的不對稱性，船舶的兩舷也要在模型中建立出來。船舶的外殼、雙層底內(nèi)底板、雙層底肋板和縱桁、底邊艙和頂邊艙斜坡板及橫框架、橫艙壁和縱艙壁及垂直桁和水平桁等這些構(gòu)件上的扶強(qiáng)材也都要在模型中建出來。具體有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

1.4 單元?jiǎng)澐?/h3>

有限元網(wǎng)格化分時(shí)，其尺寸應(yīng)小于等于縱骨間距或舷側(cè)肋骨間距，其邊界應(yīng)與實(shí)際結(jié)構(gòu)的扶強(qiáng)材相近，能夠反映板格的真實(shí)形狀。扶強(qiáng)材要以桿單元或梁單元建模，外殼板、內(nèi)殼板、舷側(cè)肋骨、雙層底肋板、縱桁、強(qiáng)框架、橫艙壁等主要支撐構(gòu)件用殼單元建模，主要支撐構(gòu)件上的面板以桿單元或梁單元建模。建模時(shí)應(yīng)注意在開孔周圍、或肘板連接處和折角連接處等應(yīng)力變化比較大的區(qū)域以及高應(yīng)力區(qū)域盡量不使用三角單元，單元的長寬比不大于4∶1。

1.5 邊界條件

有限元建模時(shí)，在模型兩端的垂直剖面上，位于中心線上中和軸處建立獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)。模型后端的獨(dú)立點(diǎn)約束y和z兩個(gè)方向上的位移，不約束x方向位移及繞x、y和z軸的旋轉(zhuǎn)位移。模型前端的獨(dú)立點(diǎn)約束x、y和z方向上的位移及繞x軸的旋轉(zhuǎn)位移，不約束繞y和z軸的旋轉(zhuǎn)位移。模型兩端的所有縱向構(gòu)件節(jié)點(diǎn)分別與前后兩端的獨(dú)立點(diǎn)剛性關(guān)聯(lián)，約束x、y和z方向上的位移。具體如圖3所示。

圖3 邊界條件

1.6 計(jì)算載荷及工況

按照散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定來確定設(shè)計(jì)載荷，這些載荷包括靜水和波浪中的船體載荷及不同裝載工況所引起的載荷。其中設(shè)計(jì)靜水彎矩和設(shè)計(jì)靜水剪力應(yīng)根據(jù)裝載手冊中給定的值，按照規(guī)范中規(guī)定的方法修正后得到的包絡(luò)線圖中取得。裝載工況應(yīng)按照規(guī)范中強(qiáng)制規(guī)定的裝載工況執(zhí)行。這些船體動(dòng)載荷及船體梁載荷與裝載工況載荷等合成很多計(jì)算工況，將它們在有限元模型中定義出來。通過對這些工況的分析，進(jìn)行船體屈曲、屈服、疲勞等方面的評估。

2 強(qiáng)度評估

2.1 屈服強(qiáng)度評估

施加上述邊界條件及載荷后，經(jīng)過有限元分析，得到計(jì)算結(jié)果。對于平面單元取其中心的Von Mise相當(dāng)應(yīng)力為參考應(yīng)力，線單元（梁或桿）取其軸向應(yīng)力為參考應(yīng)力，將參考應(yīng)力與許用應(yīng)力對比，進(jìn)行屈服強(qiáng)度的評估。

如果在有限元模型中，實(shí)際結(jié)構(gòu)有開孔的地方?jīng)]有建立開孔模型，則對該板格的應(yīng)力需要進(jìn)行修正。修正的方法應(yīng)按照實(shí)際板的高度與開孔的高度之比來調(diào)整剪切應(yīng)力的大小，然后換算出Von Mise相當(dāng)應(yīng)力值，進(jìn)行比較評估。

Von Mise相當(dāng)應(yīng)力可以按照下式進(jìn)行計(jì)算：

有限元計(jì)算結(jié)果得到的參考應(yīng)力大小應(yīng)不超出235 kN/mm2，其中k為材料系數(shù)。

對根據(jù)初步詳細(xì)設(shè)計(jì)的結(jié)果建立起的有限元模型進(jìn)行分析，主甲板、內(nèi)底板、外底板和舷側(cè)外板等部位一般都能夠滿足屈服強(qiáng)度的要求，容易出現(xiàn)問題的高應(yīng)力區(qū)域通常在以下幾個(gè)部位：

1）在雙層底縱桁靠近底墩的部位應(yīng)力較大，板較厚，向艙中間逐漸降低，如圖4所示。這是由于靠近艙壁處剪力較大。

2）雙層底肋板的應(yīng)力在同一肋位處靠近底邊艙的部位應(yīng)力較大，板較厚，向中間逐漸降低；從縱向看，則靠近船艙中間肋位的肋板應(yīng)力較高，板較厚，向首尾應(yīng)力逐漸降低，板厚減小，如圖5所示。這是由于貨艙雙層底在船寬方向剪力在靠近底邊艙處較大，向中間逐漸減??；而在船長方向，彎矩在船艙中間較大。

3）底邊艙中的強(qiáng)框也是靠近雙層底肋板內(nèi)側(cè)的應(yīng)力較大，此處剪力大，向外逐漸減小；沿船長方向艙中間肋位的強(qiáng)框較厚，向前后艙壁逐漸減小，如圖6所示。

4）底邊艙斜坡板靠近橫艙壁的部位應(yīng)力較大，此處也是由于靠近艙壁剪力較大引起的，如圖7所示。

這些不滿足應(yīng)力要求的部位，應(yīng)通過增加板厚或提高鋼材等級的方法加以解決。

圖4 雙層底縱桁的應(yīng)力云圖

圖5 雙層底肋板的應(yīng)力云圖

圖6 底邊艙強(qiáng)框的應(yīng)力云圖

圖7 底邊艙斜坡板的應(yīng)力云圖

2.2 屈曲強(qiáng)度評估

在屈曲強(qiáng)度評估中，如果有限元的網(wǎng)格模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)板格的幾何形狀不同時(shí)，應(yīng)采用將周圍網(wǎng)格的單元應(yīng)力或位移用外插和（或）內(nèi)插的方法計(jì)算出作用于實(shí)際板格上的應(yīng)力和。同時(shí)，考慮到泊松效應(yīng)，在局部或整體載荷應(yīng)力求和之后應(yīng)對運(yùn)用疊加法或直接法計(jì)算所得的應(yīng)力進(jìn)行修正。通過適當(dāng)?shù)木€性近似，沿所考慮的屈曲板格邊緣確定應(yīng)力分布，板的屈曲和極限強(qiáng)度評估安全因子應(yīng)取1.0。

根據(jù)屈曲強(qiáng)度評估的分析，屈曲不易滿足的部位如下：

1）外底板靠近貨艙中部由于彎矩較大易出現(xiàn)屈曲，一般通過增加板厚加強(qiáng)，所以外底板通常靠船艙中間部位較厚，向四周逐漸變薄，其屈曲安全因子如圖8所示。

2）舷側(cè)外板靠近橫艙壁處由于剪力較大，屈曲不易滿足，可以采用增加板厚或加強(qiáng)筋的方法加強(qiáng)。

3）底邊艙和頂邊艙的斜坡板由于離中和軸較遠(yuǎn)，彎矩較大，易產(chǎn)生屈曲，通常采用增加板厚或加強(qiáng)筋的方法加強(qiáng)。底邊艙斜坡板的屈曲安全因子如圖9所示。

4）靠近底邊艙的雙層底縱桁和雙層底肋板由于剪力大易產(chǎn)生屈曲，通常采用增加板厚或加強(qiáng)筋的方法加強(qiáng)。

圖8 外底板的屈曲安全因子

圖9 底邊艙斜坡板的屈曲安全因子

這些產(chǎn)生屈曲的板格，其根據(jù)應(yīng)力計(jì)算出的板格安全因子大于1，不滿足屈曲的要求，需要進(jìn)行屈曲加強(qiáng)計(jì)算，可按照增加板厚或加強(qiáng)筋等方法對板格進(jìn)行加強(qiáng)，防止屈曲的產(chǎn)生。具體采用的方法要根據(jù)空船重量、施工工藝、成本等方面綜合考慮。

2.3 主要支撐構(gòu)件的撓度

為防止產(chǎn)生過大的變形，需對主要支撐構(gòu)件的撓度進(jìn)行分析，所分析的貨艙雙層底與前部（或后部）橫艙壁之間的最大相對撓度不應(yīng)超過此式的規(guī)定值：Smax≤i/150。

其中，Smax為所分析的貨艙雙層底和前部（后部）橫艙壁之間的最大相對撓度，mm；i為貨艙雙層底平坦部分的長度或?qū)挾龋琺m，二者取小值。

模型的撓度計(jì)算結(jié)果如圖10所示，經(jīng)計(jì)算，滿足規(guī)范要求。

圖10 模型的撓度

3 疲勞強(qiáng)度分析

疲勞評估的區(qū)域需要用精細(xì)網(wǎng)格進(jìn)行建模，可采用CCS的建模工具，疲勞評估的熱點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)由整體艙段模型計(jì)算得到。疲勞強(qiáng)度評估的部位應(yīng)包括：船艙中部舷側(cè)肋骨與底邊艙和頂邊艙接合處、船艙中部底邊艙斜坡板與內(nèi)底板和雙層底肋板接合處、靠近中縱剖面底墩與內(nèi)底板和雙層底縱桁接合處、靠近中縱剖面底墩與橫艙壁折角點(diǎn)接合處、靠近舷側(cè)主甲板艙口縱梁與頂墩接合處。具體的疲勞評估模型如圖11所示。疲勞強(qiáng)度評估按照CSR結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求，取北大西洋波浪海況，根據(jù)有限元計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行疲勞計(jì)算分析，疲勞壽命應(yīng)達(dá)到25年。如不滿足要求，一般采用增加板厚的方法解決。

圖11 疲勞評估模型

4 結(jié)論

按照CSR的要求，采用有限元法對貨艙區(qū)域進(jìn)行了直接強(qiáng)度計(jì)算分析。通過大量的分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行處理，確保船舶的設(shè)計(jì)滿足CSR的要求，達(dá)到重量輕、結(jié)構(gòu)合理、降低建造成本的目的。

[1]詹明珠,王新宇.30 000DWT散貨船貨艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元計(jì)算[J].船舶設(shè)計(jì)通信,2008(2):37-41.

[2]謝東維,張波.82 000DWT散貨船貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)有限元分析[J].廣船科技,2010(1):14-19.

[3]謝永和,王偉.散貨船橫向強(qiáng)度有限元分析[J].船舶工程,2007(6):33-35.

[4]李兵,袁琪,吳曉源,劉從軍.五萬噸級散貨船壓載水艙強(qiáng)度分析和板格屈曲計(jì)算[J].造船技術(shù),2006(1):25-27.