46.8 m采石船的强度有限元分析

韩纯强，孙 剑，伏 辉

(1.江苏科技大学，江苏镇江 212003;2.上海中远船务工程有限公司，上海 200231;3.浙江欧华造船有限公司，浙江舟山 316100)

46.8 m采石船的强度有限元分析

韩纯强1，孙 剑2，伏 辉3

(1.江苏科技大学，江苏镇江 212003;2.上海中远船务工程有限公司，上海 200231;3.浙江欧华造船有限公司，浙江舟山 316100)

基于对采石船双体特殊结构的分析，利用MSC.PATRAN/NASTRAN软件对46.8 m采石船全船进行总横弯曲强度和扭转强度有限元分析，给出边界条件施加方法和载荷计算方法。计算结果显示，船体主要构件强度满足规范要求。

总横弯曲;扭转;采石船;强度;双体船;有限元分析

0 引言

采石船是内河工程船的主要船型之一。船舶不断出现事故的原因主要是船体结构强度得不到有效的保证，如果能准确的预报船体的强度，就可以预知哪种工况对船舶来说是最恶劣的，从而可以采取相应的措施，以避免出现航行事故［1～5］。本文主要对46.8 m采石船的总横弯曲强度和扭转强度进行全船强度有限元分析，根据中国船级社《钢质内河船舶建造规范》(2009)［4］(简称“规范”)的要求对船体主要构件迸行强度评估。

1 船体概述

本船为双体船，左右片体对称，中间有框架连接部分，不同于有一个整体甲板的双体船。后段中间连接部分如图1 所示，分别设于 Fr0、Fr12、Fr20、Fr40;首段中间连接部分，分别设于 Fr60、Fr68、Fr76、Fr85，如图2所示。前后共有其中间连接部分的特殊性决定了本双体船的特殊性。

各片体设4道横舱壁，舱室分别设有艏尖舱、艉尖舱、泵舱和2个空舱。全船为纵骨架式，在肋位设有支柱。

图1 尾段中间框架连接部分

本船的主尺度及主要参数:

总长 46.80 m

水线长 45.00 m

垂线间长 45.00 m

计算船长 45.00 m

型宽 13.00 m

片体型宽5.00 m

图2 首段中间框架连接部分

片体间距 8.00 m

型深 2.80 m

设计吃水 1.80 m

肋距 0.55 m

本船航行于长江B级航区J2航段，主要用于长江采石。通过以上船体概述和结构分析，得知此船舶为具有特殊双体结构的特殊工程船，不同于一般的船舶。对于一般船舶，总纵强度如果满足，其他强度不用再进行计算。而对于此类特殊工程船舶，由于是特殊的双体结构，其总横弯曲强度和扭转强度必须进行计算和校核。其总纵、总横弯曲、扭转强度全部符合规范的规定，强度才算满足要求。

46.8 m采石船总布置图如图3所示。

图3 46.8 m采石船总布置图

2 计算模型

本船的主尺度比值:计算船长/型深=16.1≤25.0;型宽/型深 =4.6≤6.0，符合“规范”第10.2.1.1 条主尺度的比值规定。其总纵强度可以按照“规范”第2.2.4条及第2.2.6条的要求校核本船的总纵弯曲强度及屈曲强度，本文不再进行计算。

根据“规范”第10.1.2.3条中的规定，对于特殊船型或特殊尺度的工程船以及采用新结构形式的工程船，其结构尺寸除满足本章规定外，还应符合“规范”第14.6.3.2条的规定。本文采用直接计算方法对总横弯曲强度和扭转强度进行校核，建模时采用全船有限元模型。

2.1 全船有限元模型的建立

利用有限元软件 MSC.PATRAN、MSC.NASTRAN对全船进行有限元强度建模和计算。其中舱壁、船底板、舷侧板、甲板板、肘板等平板结构用板单元模拟，肘板面板、龙骨、纵桁、扶强材、肋骨、肋板、纵骨、圆管等用梁单元模拟;其他小的骨材用梁单元模拟。有限元模型结点12 323个，单元41 362个。有限元模型如图4所示。有限元模型的材料参数:双层底结构采用普通235钢，其泊松比v=0.3，弹性模量E=2.06×1 011Pa。

图4 全船有限元模型

2.2 计算总横弯曲时的边界条件

对其中一个片体的底部进行施加约束，边界条件见表1;在另外一个片体不施加约束。载荷施加在没有约束的片体上，属于总横弯曲中最危险的约束条件。表1中，δ为线位移，θ为角位移。这样在2个片体形心处施加弯矩，此时为扭转中最危险的约束条件。

2.3 计算总横弯曲强度时的载荷

计算载荷根据“规范”第14.6.2.2条中计算双体船连接桥垂向剪力计算公式计算得到:

式中:Δ为双体船的排水量，t;Q为双体船连接桥垂向剪力，kN;s为航区系数，按“规范”中表14.6.2.1 选取。

施加的位置与方法:垂向剪力Q平均施加在另一个片体中纵剖面船底强构件的交叉结点上。

表1 计算总横弯曲时边界条件

2.4 计算扭转强度时的边界条件

对双体船连接桥的中心节点上施加全位移约束，边界条件见表2。这样在2个片体形心处施加弯矩，此时为扭转中心最危险的约束条件。

2.5 计算扭转强度时的载荷

计算载荷根据“规范”第14.6.2.3条中计算双体船扭矩计算公式计算得到:

式中:Ca为水线面修正系数，按“规范”中表14.6.2.3确定;b、b1分别为双体船片体宽度和连接桥宽度，m;d为满载吃水，m;r为计算半波高，m，按“规范”第14.2.3.1条确定;L为双体船的计算船长，m;▽为双体船的排水量，t。

施加的位置与方法:在片体形心处建立独立点，将独立点所在的纵向平面内的各节点与独立点进行刚性关联，然后在刚性点处施加扭矩。

3 有限元计算结果

在计算结果中需要分析 σL、σe、σZ和 τ4个应力，具体如下:

σL为强力甲板、船底板及舷侧板单元中面沿船长应力，MPa;σe为板单元表面相当应力，MPa;σZ为梁构件单元节点合成应力，MPa;τ为板或梁构件的剪应力，MPa。

表2 计算扭转强度时边界条件

3.1 总横强度应力分析

图5、图6为部分主要构件受最大应力云图。

图5 船底板、强力甲板及舷侧板单元表面相当应力云图

由总纵弯曲强度计算结果和应力云图可以看出:横舱壁板的板单元表面相当应力、片体前后连接部位梁构件单元节点合成应力相对较大，这2个构件比较危险，但在这条船中都满足规范要求。除了这2个构件外，其他构件应力较小，相对更安全。

图6 片体连接部位单元节点合成应力云图

3.2 扭转强度应力分析

许用应力与实际应力对应计入，图7、图8为部分主要构件受最大应力云图。

图7 船底板、强力甲板及舷侧板单元表面相当应力云图

图8 片体连接部位单元节点合成应力云图

通过扭转强度计算结果和应力云图可以得知:强横梁、实肋板、强肋骨、片体前后连接部位梁构件单元节点合成应力相对较大，这些部位比较危险，但都符合规范要求。其他构件应力较小，相对也更安全。

4 结论

此类特殊双体船必须进行总横弯曲强度和扭转强度的计算校核。计算结果显示，全船各主要构件总横弯曲强度和扭转强度满足规范要求。总横弯曲强度计算结果表明，在2个片体连接部位的应力较大，比较危险，在设计时应特别注意，考虑适当加强。目前，船体强度是船舶航行安全的重要保证，因而对于设计的船舶，必须进行强度校核。这样可以预知哪些构件、哪些区域存在应力集中现象，在设计阶段可采取加大尺寸、改变结构等措施，提高危险部件的强度，从而保证全船的强度，最大程度来减少潜在的不安全因素。

［1］ 田桂新，张钢.散货船的船体结构强度与安全［J］.青岛远洋船员学院学报，2006，(2):44-47.

［2］ 李开荣，王青春.散货船海事发生原因及对策［J］.天津航海，1999，(2):1-4.

［3］ 王杰德，杨永谦，等.船体强度及结构设计［M］.北京:国防工业出版社，1995.

［4］ 中国船级社.钢质内河船舶建造规范(2009)［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［5］ 侯淑芳，周志军.散货船总纵强度的有限元分析［J］.南通航运职业技术学院学报，2011，10(3):42-46.

U661.43

A

2012-07-20

韩纯强(1985-)，男，硕士研究生，研究方向为船舶与海洋结构物设计与制造;孙剑(1984-)，男，助理工程师，研究方向为船体结构设计与制造;伏辉(1984-)，男，助理工程师，研究方向为船体结构设计与制造。