118 m甲板运输船横向强度分析

陈艳春，沈 平

(1.泰州市地方海事局，江苏 泰州 225300；2.姜堰市地方海事处，江苏 姜堰 225500)

118 m甲板运输船横向强度分析

陈艳春1，沈 平2

(1.泰州市地方海事局，江苏 泰州 225300；2.姜堰市地方海事处，江苏 姜堰 225500)

以118 m箱型甲板运输船为研究对象，参照CCS(中国船级社)规范对该船货舱段的构件进行横向强度评估。经过建模、加载、计算，得到该甲板货船货舱段主要构件强度均满足规范要求，校核过程对同类型船的横向强度校核具有一定的借鉴意义。

甲板运输船；横向强度；有限元分析

0 引言

甲板运输船由于其具有建造工艺简单，便于装卸施工，投资造价和营运成本低、收益率高等优点而深受地方中小型船厂和船东们的青睐。在该类船舶的结构设计过程中往往采用规范允许的最低强度要求，以达到降低成本的目的。因此，船舶在营运过程中存在结构破坏的事故隐患，分析此类船舶的结构强度显得尤为重要[1]。

长期以来，关于船舶横向强度的研究较少，很大程度上是因为存在这样一种观点：横向强度的破坏只会造成某些小的损伤，不会危及到船舶的整体安全[2]。但是在实际航运中，由于船体局部损伤最终导致整个船体毁坏的事例越来越多。因此，为了保证其船体结构在正常使用过程和一定的使用年限中具有不破坏或不发生过大变形的能力，有必要进行船体横向强度校核[3]。

对于B(型宽)/D(型深)≥3的箱型驳船，参照CCS《钢质海船入级规范》(2012)附录“箱型驳船横向强度校核方法” 第2篇第9章第7节相关要求取用强度标准，按照设计图纸，使用MSC.PATRAN有限元软件对该船货舱段主要构件建立有限元模型，并用计算软件对其进行横向强度分析和探讨。

1 实船概要

本船为钢质单舷、单底结构。全船共有170个肋位，肋距为600 mm；3道纵舱壁，间距为5.5 m。甲板、船底、舷侧和纵舱壁上纵向连续构件有纵骨与纵桁，横向强框架由强横梁、强肋骨、实肋板组成。船体内部设有大量柱子和撑杆做支撑。118 m甲板运输船总布置图、横剖面图、基本结构图分别如图1～图3所示。

图1 118 m甲板运输船总布置图

本船总长118.0 m，水线长101.25 m，设计吃水4.80 m，型宽23.0 m，型深6.60 m，肋距0.60 m，航区近海。

本船选用材料为碳素钢：弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比为0.3，密度为7.85 t/m3。

2 有限元模型

2.1 结构模型

参照《钢质海船入级规范》(2012)第2篇第9章第7节第4条规定，采用三维有限元模型，模型范围选取的原则通常为：以甲板的主要构件及其支持结构的主要构件作为主要的分析对象，模型范围至少应包括：垂向为基线与舱壁甲板之间的中点处至舱壁甲板以上的各层甲板及其支持结构，横向取整个船宽，纵向在船中处至少取5档强框架长度或1个设计车长，取大者。

图2 118 m甲板运输船横剖面图

图3 118 m甲板运输船基本结构图

本文中的建模范围为Fr 81至Fr 105，横向取整个船宽，垂向取整个型深。模型采用板单元和梁单元建立，甲板、船体外板、纵横舱壁、甲板纵桁、船底龙骨、强横梁、强肋骨、实肋板等采用板单元模拟，甲板纵骨、舷侧纵骨、纵横舱壁加强材等均采用梁单元模拟。

坐标系统采用右手直角坐标系，原点位于Fr 81船体中心线处，X轴向船首为正方向，Y轴向左舷为正方向，Z轴向上为正方向。

舱段有限元模型共使用了34 438个单元，节点数共计23 486个。结构舱段有限元模型如图4、图5所示。

图4 结构舱段有限元模型

2.2 边界条件

为尽量减少约束边界条件对横向强度计算结果的影响，边界条件宜施加在舱壁甲板以下足够远的距离处。对于模型的前后端，垂直于端面方向的线位移为0，即υx=0；绕端面内两坐标轴的角位移为0，即ωy=ωz=0。边界条件示意图如图6所示。

图5 结构舱段有限元模型(隐去甲板)

图6 边界条件示意图

2.3 计算工况及载荷

根据《钢质海船入级规范》(2012)附录“箱型驳船横向强度校核方法” 及设计任务要求，计算载荷仅考虑甲板载荷及舷外水压力的作用。

考虑4种工况，详见表1。

表1 计算工况

2.3.1 甲板载荷

按设计任务要求，本船标准设计负荷相关技术参数如下：

①5 t铲车，整车重量17.5 t；

②雷诺 Kerax重卡288 kW自卸车(标准版)，最大总质量为47 t。

按《国内航行海船建造规范》(2012)第9.7.2.2条的规定,车辆甲板结构强度直接计算时，假定船舶横倾至最大横摇角，甲板设计载荷按下列各式计算：

PV=(gcosΦm+0.5aV)M

PT=(gsinΦm+0.5aT)M

式中：PV为车辆甲板垂向载荷,kN;PT为车辆甲板横向载荷，kN；g为重力加速度，g=9.81 m/s2；Φm为最大横摇角，Φm≥0.35 rad；aV为垂向合成加速度，m/s2；aT为横向合成加速度，m/s2；M为计入的车辆重量，t。

2.3.2 舷外水压力

船舶在运营过程中，船体要承受来自各个方向波浪的作用，船体的纵向结构在规范计算中已计入波浪载荷对其作用，而波浪对船体横向结构的作用则需要深入研究，在本文中忽略端面弯矩对结构的影响。

舷外水压力由静水压力和波浪水动压力两部分组成：

基线处：PB=10d±1.5C

水线处：PW=±3C

舷侧顶端：PS=3PO

式中：PO=C-0.67(D-d)，kPa；C为系数;d为船舶吃水，m。

为考虑横向波浪作用沿船长局部范围内产生的效果，在计算工况中采用施加于两舷的不对称舷外水压力来模拟。其中一舷侧受到静水压力和波浪动压力的叠加作用，另一舷侧受到静水压力和反向动波浪压力的叠加作用，但计算值小于0时取0计入。载荷作用分布情况如图7所示。

图7 舱段波浪载荷分布

3 许用应力

根据《钢质海船入级规范》(2012)第2篇第9章第7节第5条规定中许用应力要求，板梁组合模型的许用应力为：

许用剪切应力[τ]=94 MPa

许用相当应力

式中：σx为平面应力状态下结构任一点X坐标方向的正应力，MPa；σy为平面应力状态下结构任一点Y坐标方向的正应力，MPa；τxy为平面应力状态下结构任一点X坐标方向的剪切应力，MPa。

4 结果分析

4.1 结构应力结果

有限元的结构评估取值范围应基于模型当中的一个横向框架。本文选取Fr 90为评估横向框架，4种工况下最大相当应力为70.8 MPa，最大剪切应力为36.5 MPa，满足规范许用应力要求。舱段整体应力及变形云图如图8、图9所示，横向结构最大应力云图如图10、图11所示。

图8 舱段整体相当应力云图(LC1)

图9 舱段整体变形云图(LC1)

图10 横向结构的相当应力云图(LC1)

图11 横向结构的剪切应力云图(LC1)

4.2 结构应力结果分析

①纵、横舱壁板受端部约束及甲板、船体外板结构约束受力较大，中部受力较小；

②汽车装载位置附近的甲板、甲板纵桁及横向框架，变形及应力较大；

③应力在强结构上明显集中，并向弱结构扩散，因此强结构是承受船体主应力的单元。

5 结语

由于目前愈来愈广泛地应用甲板运输船，该船的设计要求已经不能仅仅局限于船舶设计规范，对甲板运输船进行强度分析校核变得非常重要。在本文的横向强度分析中，船舶主要承受应力的构件有甲板、舷侧、纵舱壁、船底纵桁和甲板纵桁，这些构件的相交处附近应力水平较高，在结构设计计算时应给予高度重视。

[1] 杨跃富,王靖,金义会，等.有限元法甲板运输船全船结构强度分析[J].船海工程,2012,41(5):68-70,73.

[2] 洪志涛,肖桃云.甲板运输船艏部舱段有限元强度分析[J].船海工程,2011,40(6):83-86,91.

[3] 谢永和,王伟.散货船横向强度有限元分析[J].船舶工程,2007,29(6):33-35.

[4] 中国船级社.钢质海船入级规范(2012)[M].北京：北京人民交通出版社,2012.

2013-10-22

陈艳春(1984-)，男，助理工程师，从事船舶检验工作；沈平(1982-)，男，助理工程师，从事船舶检验工作。

U661.43

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