40000 DWT散货船舱段强度有限元分析

摘 要：船舶货舱受到压载水压力荷载、货物压力荷载、舷外水压力荷载的作用，舱段结构受力情况复杂。本文借助有限元软件MSC.PATRAN/NASTRAN，对40 000 DWT散货船货舱结构计算分析。计算结果可以清楚表达结构应力分布情况，为设计者提供有效设计经验。

关键词：散货船；舱段；有限元；应力分布

Abstract: Since ship cargo hold is exposed to ballast water pressure load, goods pressure load and overboard water pressure load, the force on the cargo hold section is complex. This paper carries out calculation analysis on the structure of cargo hold for 40 000 DWT bulk carrier with finite element software MSC.PATRAN/NASTRAN. The result fully illustrates the stress distribution, which provides effective design experience for designer.

Key words: Bulk carrier; Cargo hold section; Finite element; Stress distribution

1 概述

为了保证散货船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，有必要进行船体强度计算。主要方法为以舱段或者整船为建模对象的有限元分析方法。但由于计算机硬件的限制，整船有限元建模方式并没有得到广泛的应用，目前占主导地位的是船舶舱段模型的有限元计算方法。本文根据中国船级社《双舷侧散货船结构强度直接计算指南》2004版（以下简称《指南》）要求，对40 000 DWT散货船货舱区域主要构件应用三维有限元软件进行强度直接计算，计算载荷计及舱内货物载荷、舷外水载荷。

2 结构形式

40 000 DWT散货船，货舱区域为单壳、双底结构，肋骨间距为750 mm；双层底高1 550 mm，强框架间距按3个肋位；舱口围板、甲板、顶边舱斜板、顶边舱垂板、舷顶列板、舷顶下列板及11 200平台区域采用DH36高强度钢，其余部位采用普通钢。

图1 舱段有限元模型示意图

3 结构有限元模型

3.1 模型范围

采用三维有限元模型，选取散货船货舱区的1/2个第四货舱+1个第三货舱+1/2第二个货舱，舱段模型的纵向范围从肋位FR95~FR174，垂向范围为船体型深；由于舱段结构和计算载荷对称于纵中剖面，因此舱段模型取左舷，即横向范围为半个船体型宽，有限元模型见图1。坐标系统采用右手坐标系，见图1所示，原点O位于FR95号船底中线处，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。

3.2 边界条件

模型后端面，即FR174处保持平端面假设，在该剖面中和轴处建立一个独立点，端面上其他节点与独立点相关，在独立点上施加弯矩；模型前端面，即FR95处保持平端面假设，在该剖面中和轴处建立一个独立点，端面上其他节点与独立点相关，在独立点上施加弯矩,详细边界条件见表1。

表1 边界条件

4 载荷

4.1 计算工况

本文考虑应用于所有协调附加标志的一般装载状态和应用于在港装卸的附加装载状态。对于在港装卸的附加装载状态，不计入波浪荷载（压力和弯矩）的影响。详细计算工况见表2。

5 计算结果

5.1 变形云图

见图2。

图2 中间舱段变形分布图

5.2 应力云图

见图3。

图3 中间舱段应力分布图

5.3 结果分析

本文运用有限元法，先后对上述七种工况进行直接计算，计算结果表明：

1) 七种计算工况下，中间舱段均有较大变形，较大变形主要分布在舷侧和底部。其中LC01、LC02b两个重载工况下，舱口纵向围板变形较大。在变形较大处，可以考虑对结构形式进行适当处理，以抵御过大变形。

2) 较大应力分布主要在甲板和底部。根据应力分布情况，主甲板、舱口围板等相应构件应为高强度钢，以满足结构强度要求。

3) 中间舱段的舱口角隅附近会产生应力集中现象，对此处肘板的结构形式、厚度都应做适当加强、加厚处理。

4) 在LC12c工况下，舱段首方向端面下部应力较为集中，但相对其他六个工况而言，应力水平最小，对船舶结构强度要求相对较低。

5) 七种计算工况下，中间舱段均未发生屈服状况。因此，船体结构变形均在弹性变形范围之内，从而保证船体结构的稳定性。

6 结论

舱段结构有限元计算是一项费时耗力的工作，需要合理地简化计算模型。建模过程中必须用合理的单元对船体构件进行模拟。根据计算结果，设计者可以对应力较为集中和变形较大的的构件进行优化处理，选择合适的材料和合理的结构形式，从而进一步改善船体结构的可靠性和安全性。总之，设计者通过直接计算，可以有针对性地改进船体结构，较为经济地使用材料；进而提高船舶效能指数，达到绿色环保造船的目的。

表2 计算工况

参考文献

[1] 中国船级社. 双舷侧散货船结构强度直接计算指南[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004

[2] 中国船级社. 钢制海船入级规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2006

[3] 刘兵山.黄聪. Patran从入门到精通[M].北京: 中国水利电力出版社, 2003