74500DWT化学品船舱段有限元强度直接计算

孙 良 黄胜炎

（江苏新时代造船有限公司，靖江214500）

0 前言

化学品船承担着运输化学品的任务，化学品对环境有严重的破坏性，就需要船体结构有适当的结构强度，以保证运输过程中的安全性。本文主要介绍江苏新世纪造船有限公司承接74 500 DWT三类化学品船的主要船体结构强度进行评估。

1 主尺度

2 结构型式

74 500 DWT级化学品船船体采用普通钢或AH32高强度钢。货舱区域为双壳双底结构，肋骨间距为3 400 mm，甲板强横梁，纵桁和甲板纵骨上翻，纵舱壁和横舱壁均为槽型舱壁，设有顶凳和底凳。顶凳底面板在19 010 mm高度位置，底凳面板在4 950 mm高度位置；纵向结构设置：2根距船中1 600 mm旁纵桁，2根距船中5 600 mm旁纵桁，2根距船中12 000 mm旁纵桁；垂向结构设置：2道距基线4 950 mm水平桁，2道距基线9 360 mm水平桁，2道距基线 15 360 mm水平桁，2道距基线19 010 mm水平桁。典型强框架横剖面见图1。

3 结构有限元模型

3.1 模型范围

模型范围按CSR-OT规范要求，纵向范围覆盖3个货舱长度和4个横舱壁。模型端部的横舱壁连同顶凳和底凳结构及相关同一肋位强框架都包括在模型中，形成垂直平面。横向范围为船体型宽，垂向范围为船体型深。

船体的开孔采用CSR-OT规范附录B进行筛选折减厚度。最后完成的三舱段模型共包括51 501个节点，100 452个单元（弹簧单元和独立点约束由软件计算时自动生成）。弹性模量为2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.85 t/m3，有限元模型见图2。

图1 典型强框架横剖面

图2 三舱段有限元模型示意图

3.2 坐标系

坐标系采用右手坐标系，原点为FR0处基线和中心线的交点处，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。

3.3 边界条件

根据CSR-OT规范要求，模型两端为弹簧约束，施加边界条件参考CSR-OT规范附录B2.6［1］。

4 载荷工况、许用应力和验收结果

4.1 载荷工况

依据CSR-OT规范附录B要求工况计算，选取工况参考CSR-OT规范附录B2.3装载工况。

4.2 许用应力

该船结构采用普通钢和高强钢（AH32），根据CSR-OT规范第9节2.2.5验收衡准。考察应力为有限元分析中的平面单元中心的Von-Mises相当应力。构件的许用应力不得超过如表1所示。屈曲利用因子数值见表2。细网格分析的最大许用应力数值见表3。

表1 验收相当应力

表2 验收屈曲利用因子

表3 验收细网格最大许用应力

4.3 验收结果汇总

验收相当应力结果见表4。验收屈曲利用因子结果见表5。验收细网格应力结果见表6。

图3 船底板屈曲修改加筋位置

表6 细网格应力结果汇总

5 结语

本文叙述了74 500 DWT化学品船规范进行有限元计算的主要过程和结果。针对该船具有特殊的结构形式和装载特点，利用有限元进行直接计算分析能最终确定设计方案，计算结果显示船体货舱区主要结构满足规范要求，计算结果分析如下：

1）化学品船区别于常规油船，部分装载化学品船货物密度比原油或成品油大很多，计算时候需要特别注意按CI-T2［2］规范和实际船舶装载时的货物密度得出计算密度。

2）化学品船对洗舱残留有较高要求，按MARPOL要求为不大于75L。在设计结构的时候要尽量保证货舱内部的光滑，不能留下洗舱死角［3］。

3）化学品主甲板强横梁、纵桁和纵骨上翻，导致外板和内壳上端处支撑减弱，需要增加板厚到13 mm普通钢，计算结果见图4和图5，相关修改见图6。

图4 航行工况强横梁细网格结果

图5 港口工况强横梁细网格结果

4）横舱壁和纵舱壁需要做成槽型。槽型舱壁会在槽的端部形成应力集中，需要引起重视，增加槽型舱壁端部的板厚到25.5 mm（AH32），计算结果见图7和图8，相关修改见图9。

图7 航行工况舱壁相交处细网格结果

图8 港口工况舱壁相交处细网格结果

图9 横舱壁与纵舱壁相交处修改

5）由于主甲板强横梁上翻，考虑到主甲板上的甲板机械、管系、甲板储藏室、取样间、通道布置，所以计算强横梁强度时腹板高度不能取值太大，只能增加腹板厚度和面板大小，腹板高度要与交叉专业协调后确定。

6） 为保证槽型舱壁顶凳在主甲板处有足够支撑强度，本船设置了共4道短纵桁。短纵桁于强横梁连接处会产生应力集中问题，需要在短纵桁端部增加板厚至14 mm（AH32），计算结果见图10和图11，相关修改见图12。

图10 航行工况甲板短纵桁处细网格结果

图11 港口工况甲板短纵桁处细网格结果

图12 主甲板短纵桁修改

［1］Common Structural Rules for Double Hull Oil tankers［S］.2010.

［2］Common Interpretation Approval of high density cargo limitation on max filling height［S］.2008.

［3］The International Convention for the Prevention of Pollution From Ships［S］.1973 as modified by the Protocol of 1978.