韋文杰 朱功泉

摘 要：依照《散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》（2009），基于三維有限元（FE）分析進(jìn)行主要支撐結(jié)構(gòu)的直接強(qiáng)度評估，校核82 000 DWT系列散貨船的屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度。分析和總結(jié)該系列散貨船的結(jié)構(gòu)特征和設(shè)計要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：共同結(jié)構(gòu)規(guī)范；直接強(qiáng)度分析；屈服；屈曲

中圖分類號：U663.83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（以下簡稱CSR規(guī)范）是IACS自成立以來第一次系統(tǒng)制定的單一類型船舶規(guī)范，隨著CSR規(guī)范的不斷發(fā)展與完善，基于CSR規(guī)范設(shè)計的散貨船逐漸成為現(xiàn)階段船舶市場的主流船型。

82 000 DWT散貨船是目前國內(nèi)最熱門的巴拿馬型散貨船之一。該系列船結(jié)構(gòu)形式為：單甲板、雙層底、單殼、上下邊艙；船底甲板及上下邊艙結(jié)構(gòu)采用縱骨架式；底邊艙的強(qiáng)框架設(shè)置間距為3檔肋距，頂邊艙強(qiáng)框架設(shè)置間距為6檔肋距；橫艙壁采用帶有上下支凳的槽型結(jié)構(gòu)；貨艙區(qū)域共分隔為7個艙，隔艙裝載工況下第1、3、5、7貨艙為裝貨艙，第2、4、6貨艙為空艙，其中第4貨艙可兼作重壓載艙，以在遭遇大風(fēng)浪時改善船舶穩(wěn)性。

該船型的主要參數(shù)如下：

總長 ～229 m ； 型寬 32.26 m ； 型深20.2 m ； 結(jié)構(gòu)吃水 14.5 m ；

航速 14～14.5 kn ； 載重量 ～82 000 DWT。

為保證船舶結(jié)構(gòu)的安全，依據(jù)CSR規(guī)范要求，除需對船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)范校核外，還需對全船貨艙區(qū)域進(jìn)行直接強(qiáng)度分析，包括貨艙艙段（重貨艙、輕貨艙、重壓載艙）屈服強(qiáng)度校核；屈曲強(qiáng)度校核及細(xì)部疲勞校核。受篇幅所限，本文僅對屈服強(qiáng)度及屈曲強(qiáng)度進(jìn)行校核。

1 計算模型

有限元建模及計算采用通用有限元計算程序PATRAN/NASTRAN，后期分析采用CCS自主開發(fā)的JBP_DSA程序。有限元模型的縱向范圍覆蓋三個貨艙和四個橫艙壁；模型端部的橫艙壁連同各自壁凳包括在模型中；模型的兩端形成垂直平面，任何位于端面位置的強(qiáng)框架都包括在模型中；有限元模型包括船舶的兩舷，以考慮橫向波浪載荷的不對稱性；所有主要構(gòu)件都在有限元模型中建模，包括內(nèi)殼和外殼、雙層底肋板和桁材系統(tǒng)、橫框架和垂直桁材、水平縱桁以及橫艙壁和縱艙壁，這些構(gòu)件上的所有板和扶強(qiáng)材均建模。

受篇幅所限，本文僅分析第四艙（重壓載艙）艙室結(jié)構(gòu)的屈服與屈曲：建立三、四、五艙共三艙段的結(jié)構(gòu)有限元模型；選取三、四、五艙段的主要結(jié)構(gòu)，包括橫向和縱向的主體結(jié)構(gòu)、主要支撐構(gòu)件和一些輔助支撐構(gòu)件，采用SHELL、BEAM等單元建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，結(jié)構(gòu)剖面不規(guī)則處采用適當(dāng)方式進(jìn)行簡化。所建模型如圖1所示。

圖1 計算模型

2 邊界條件及工況選取

2.1 邊界條件

根據(jù)CSR規(guī)范的要求，邊界條件采用直接法：模型兩端簡支，端部兩剖面的縱向構(gòu)件節(jié)點(diǎn)應(yīng)與位于中心線上中和軸處的獨(dú)立點(diǎn)剛性相關(guān)。

2.2 工況選取

本報告校核的第4貨艙為重壓載艙，依據(jù)CSR規(guī)范的要求，并結(jié)合標(biāo)題船的裝載手冊，有限元直接強(qiáng)度分析所適用的標(biāo)準(zhǔn)裝載工況共22種，主要為：

滿載均勻重貨（貨物密度取為3 t/m3）；滿載均勻輕貨（貨物密度取為實際密度或者1.0 t/m3，取小者）；非滿載不均勻裝載（重貨、輕貨）；重壓載（第四貨艙兼重壓載艙壓載）；多港（輕貨）及隔艙裝載（重貨）。

剪力分析工況主要為：隔艙裝載（重貨，本工況為第31號工況，主要校核目標(biāo)貨艙后艙壁處剪力）；重壓載（本工況為第44號工況，主要校核目標(biāo)貨艙前艙壁處剪力）。

2.3 許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)

本船采用普通碳素鋼和部分高強(qiáng)度鋼，其材料換算系數(shù)K分別為1.0、0.72。根據(jù)CSR規(guī)范第7章第2節(jié)《分析衡準(zhǔn)》中許用應(yīng)力的規(guī)定，考查應(yīng)力為有限元分析中得到的平面單元（殼或膜）中心的Von Mise相當(dāng)應(yīng)力。普通碳素鋼許用應(yīng)力[σ] = 235 N/mm2；AH36號高強(qiáng)度鋼許用應(yīng)力[σ] = 326 N/mm2。

3 計算結(jié)果

3.1 屈服因子結(jié)果匯總

采用JBP_DSA軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈服強(qiáng)度分析。其中，屈服因子=結(jié)構(gòu)最大相當(dāng)應(yīng)力/許用相當(dāng)應(yīng)力，屈服因子小于1表示結(jié)構(gòu)滿足屈服強(qiáng)度要求。計算結(jié)果如表1所示。

表1 各主要結(jié)構(gòu)最大屈服因子結(jié)果匯總

3.2 屈服因子云圖

采用CCS.Tools軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈服強(qiáng)度分析，在未對結(jié)構(gòu)屬性及結(jié)構(gòu)形式做任何修改的情況下，存在大范圍不滿足屈服條件的結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：

（1）雙層底縱桁

由圖2可知最大屈服因子為1.17，深色所示為屈服強(qiáng)度不滿足要求的區(qū)域，主要位于底凳附近，工況為重壓載工況和隔艙裝載工況。

修改方法：增大板厚。調(diào)整后屈服評估云圖見圖3所示，結(jié)構(gòu)全部滿足屈服強(qiáng)度要求。

圖2 雙層底縱桁（修改前）

圖3 雙層底縱桁（修改后）

（2）艙口間甲板縱桁

由圖4可知最大屈服因子為1.55，深色所示為屈服強(qiáng)度不滿足要求的區(qū)域，主要位于頂?shù)矢浇?，工況為重壓載工況和隔艙裝載工況。

修改方法：增大板厚。調(diào)整后屈服評估云圖見圖5所示，結(jié)構(gòu)全部滿足屈服強(qiáng)度要求。

圖4 艙口間甲板縱桁（修改前）

圖5 艙口間甲板縱桁（修改后）

（3）頂邊艙垂向列板

由圖6可知最大屈服因子為1.17，深色所示為屈服強(qiáng)度不滿足要求的區(qū)域，主要位于艙壁附近，工況為重壓載工況和隔艙裝載工況。

修改方法：增大板厚。調(diào)整后屈服評估云圖見圖7所示，結(jié)構(gòu)全部滿足屈服強(qiáng)度要求。

圖6 頂邊艙垂向列板（修改前）

圖7 頂邊艙垂向列板（修改后）

3.3 屈曲因子結(jié)果匯總

采用JBP_DSA軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲強(qiáng)度分析，屈曲因子小于1表示結(jié)構(gòu)滿足屈曲強(qiáng)度要求。計算結(jié)果如表2所示。

3.4 屈曲因子云圖

采用CCS.Tools軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲強(qiáng)度分析，在未對結(jié)構(gòu)屬性做任何改變的情況下，不滿足屈曲條件的結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：

（1）甲板

由圖8可知最大屈曲因子為1.17，深色所示為屈曲強(qiáng)度不滿足要求的區(qū)域，主要位于艙口間甲板頂?shù)矢浇?，工況為滿載工況。

修改方法：增大板厚。調(diào)整后屈曲評估云圖見圖9所示，結(jié)構(gòu)全部滿足屈曲強(qiáng)度要求。

圖8 甲板（修改前）

圖9 甲板（修改后）

（2）舷側(cè)外板

由圖10可知最大屈曲因子為1.17，深色所示為屈曲強(qiáng)度不滿足要求的區(qū)域，工況為剪力修正工況（第44號工況），考查區(qū)域為前艙壁處結(jié)構(gòu)。而由圖中可見，超出屈曲要求的區(qū)域位于后艙壁處，超出考查區(qū)域，故實際結(jié)構(gòu)滿足屈曲要求，結(jié)構(gòu)不需修改。

圖10 舷側(cè)外板

（3）艙口端橫梁

由圖11可知最大屈曲因子為1.17，深色所示為屈曲強(qiáng)度不滿足要求的區(qū)域。由圖中可見，艙口端橫梁都不滿足要求，工況為滿載工況、重壓載工況、多港工況和隔艙裝載工況。（修改方法：增大板厚及修改結(jié)構(gòu)，在不滿足屈曲要求板格中部增加端部削斜的屈曲筋），調(diào)整后屈曲評估云圖見圖12所示。由圖所示，結(jié)構(gòu)全部滿足屈曲強(qiáng)度要求。

圖11 艙口端橫梁（修改前）

圖12 艙口端橫梁（修改后）

4 結(jié)果分析及總結(jié)

通過以上計算可以發(fā)現(xiàn)，對于重壓載艙而言，應(yīng)注意以下結(jié)構(gòu)要點(diǎn)：

（1）對BC-A型船舶貨艙兼做重壓載艙而言，危險工況主要為滿載隔艙工況及深/重壓載工況；高應(yīng)力區(qū)域集中在艙壁附近、頂?shù)矢浇⒌椎矢浇柏浥撆摽诮怯?，上述區(qū)域處頂邊艙垂向列板、底邊艙斜板、貨艙區(qū)域舷側(cè)外板及艙口間甲板均需特別注意。

建議上述區(qū)域在艙壁附近應(yīng)適當(dāng)增加板厚，同時可以采用下列修改結(jié)構(gòu)形式的方法：雙層底內(nèi)部艙壁附近增加短縱桁；頂邊艙垂向列板延伸至頂?shù)实臋M隔板應(yīng)采用與垂向列板相同材料且等厚；頂邊艙垂向列板與頂邊艙斜板連接處，焊接位置不建議位于折角處，建議折角處彎壓成型；底凳斜坡板應(yīng)采用弧形肘板過度至邊艙，且與舷側(cè)外板相接；內(nèi)底板應(yīng)在每檔強(qiáng)框架處，前后設(shè)置過度弧形肘板；艙口圍邊板過度至艙口間甲板的結(jié)構(gòu)應(yīng)至少橫跨2檔以上肋位，且應(yīng)采用高鋼級材料；貨艙兼重壓載艙槽壁縱向長度，相對其他貨艙而言應(yīng)適當(dāng)增大，頂?shù)始暗椎式Y(jié)構(gòu)尺寸也應(yīng)適當(dāng)增大；對重壓載艙而言，前艙壁及后艙壁處底凳板建議均設(shè)置為斜板；艙口角隅處不應(yīng)出現(xiàn)硬點(diǎn)，艙口角隅弧形肘板結(jié)構(gòu)不應(yīng)過強(qiáng)，其上不建議焊接卸貨板；

（2）屈曲較嚴(yán)重區(qū)域主要集中于艙口端橫梁、艙壁處舷側(cè)外板等處。特別對艙口端橫梁而言，如增加板厚不足以起到解決屈曲超標(biāo)的問題時，可以采用如下修改結(jié)構(gòu)形式：加大艙口端梁過度到頂邊艙斜板處的肘板；增大艙口端梁腹板高度；艙口端梁加設(shè)水平筋或垂直筋等；

（3）為使應(yīng)力良好傳遞，不出現(xiàn)應(yīng)力集中等情況，還應(yīng)注意：舷側(cè)肋骨趾端結(jié)構(gòu)應(yīng)以CSR規(guī)范推薦為宜；底凳頂板應(yīng)與艙壁全焊透；艙口圍板趾端應(yīng)做到良好過度；為保證吸口流量而需對結(jié)構(gòu)修改時，建議適當(dāng)增大流水孔尺寸，而不建議增多流水孔數(shù)量。

參考文獻(xiàn)

[1]國際船級社協(xié)會.散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社.2009.

[2]王運(yùn)龍，紀(jì)卓尚.散貨船現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢.船舶工程.[J].2006（1）.

[3]任淑霞，徐旭敏.淺談滿足散貨船共同規(guī)范的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn).船舶設(shè)計

通訊[J].2007（2）.