纸浆船货舱区域结构强度分析

刘沛鑫

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）

0 引言

我国是造纸大国，近年来造纸行业的市场份额逐年上升，2020年1月～10月中国纸浆进口数量为2 531万吨，同比增长288万吨，增幅为12.9%。纸浆贸易的飞速发展对纸浆运输的需求大幅提高，并为纸浆船带来巨大的发展机会。船体结构强度对保障纸浆船的安全性和可靠性非常重要，不同规范虽有所不同，但其合理性均经过了实践检验，各规范的计算方法均偏于保守，只是保守程度存在差别。在进行船体强度分析时，人工计算往往会带来较大的误差，而有限元法精度较高。目前，有限元法在船舶结构领域已应用于整船强度分析、静力学分析、动力学分析、结构应力集中分析、结构疲劳强度分析、构件屈曲和极限强度研究等方面。本文对60 000 t纸浆船货舱区域的结构进行建模，利用有限元软件MSC/PATRAN分析结构强度，并在此基础上对纸浆船进行优化设计。

1 纸浆船介绍

60 000 t纸浆船的主尺度见表1。

表1 60 000 t纸浆船主尺度

2 有限元建模

2.1 方法介绍

有限元的计算是随着计算机技术的进步发展而起来的一种数据分析方法，以矩阵为表达形式，物量概念较为明确，数学逻辑较为严谨，便于计算机编程及计算，可解决很多工程应用问题。

有限元直接计算法就是将原有结构物网格划为若干单元，单元与单元用节点来相连接，用近似函数来替代单元内部的真实变量，从中求得网格结构模型的近似值。虽然有限元直接计算法在无限域、应力集中问题与裂缝体分析等方面有一定程度的不足，但是相对于大部分结构问题，都能求出比较理想的近似解，具有很强的通用性与适应性。大型结构由于其局部非线性特征或者是较复杂的物理结构形式，往往难以直接计算得到解析值，而有限元法通过对约束、结构及载荷的模拟，便于快速求出精度很高的近似解。因此，有限元法在科研领域与工程实际取得了非常广泛的应用。

近些年来，随着计算机水平的不断发展，有限元在船舶结构仿真分析方面取得很大进步。从千万节点级别的简易结构分析到百万节点级别的庞大结构分析、从线性计算到非线性计算，有限元法对复杂结构的计算能力提升明显。有限元仿真在船舶的振动、碰撞、屈曲强度、疲劳强度、屈服强度分析等方面起着愈来愈重要的作用，为船舶的设计与事故分析供应了相当有力的分析工具。

本文采用MSC/PATRAN软件对60 000 t纸浆船货舱区域的结构进行建模，并分析结构强度。

2.2 单位及坐标系

本文的有限元模型采用毫米单位制，物理量与单位情况见表2。

表2 物理量与单位情况

三维空间坐标系满足右手法则，轴正方向由艉部指向艏部，轴正方向从右舷指向左舷，轴正方向从船底指向甲板。

2.3 模型与单元

60 000 t纸浆船为双壳双底结构，双壳和双层底是连通的，货舱区域为纵骨架式。60 000 t纸浆船货舱区域有限元模型见图1。模型在方向上取为2倍舱室长度，方向上取整宽，方向上取整高。划分网格时需要根据肋距模型和纵骨间距选择网格尺寸，采用Beam单元和Shell单元对货舱各个构件进行仿真。

图1 货舱区域有限元模型

2.4 材料参数

有限元仿真选取的材料参数见表3。

表3 材料参数

3 工况设置

有限元分析时需要考虑装载模式与动载荷模式。装载模式应包括各种可能的货舱局部载荷情况，以及不同载荷组合。

3.1 工况选取

本文选取装载模式下的2种工况进行有限元强度分析：

1）均质满载（轻货）工况

均质满载（轻货）工况需要考虑船体重力+波浪压力+轻货载荷。

2）均质满载（重货）工况

均质满载（重货）工况需要考虑船体重力+波浪压力+重货载荷。

3.2 轮廓与载荷

60 000 t纸浆船货舱区域轮廓示意图见图2。模型需要考虑动载荷与静载荷。动载荷主要包括舷外水动压力、货物动载荷与船体梁动载荷；静载荷包括舷外静水压力、货物重力和结构重力。

图2 货舱区域轮廓示意图

4 计算结果

在进行结构强度校核前，需要将总体载荷工况和局部载荷工况产生的应力合成为Von Mises应力，其计算公式为

式中：为Von Mises应力；σ、σ分别为方向和方向上的正应力分量；为切应力。

各主要构件的许用Von Mises应力[]和许用切应力[]见表4。

表4 各主要构件的许用应力

4.1 外底板应力计算结果

外底板Von Mises应力计算结果见图3，最大应力出现在02_Homo2_Hog中拱处，该处材料为AH36钢，最大应力值为262 MPa，小于许用值306 MPa，满足中国船级社（China Classification Society，CCS）的相关要求。

图3 外底板Von Mises应力计算结果

4.2 横舱壁应力计算结果

横舱壁Von Mises应力计算结果见图4，最大应力出现在061_HC Loads_Heavy_Hog中拱处，该处材料为AH36钢，最大应力值为209 MPa，小于许用值243 MPa，满足CCS的相关要求。

图4 横舱壁Von Mises应力计算结果

5 结论

本文对60 000 t纸浆船货舱区域的结构进行建模，利用有限元软件MSC/PATRAN对不同工况下的船体结构强度进行计算与分析。结果表明：各工况下外板与横舱壁的应力值均小于许用应力值，满足CCS规范要求。本文研究成果可为纸浆船结构强度分析和优化设计提供一定指导。