32000DWT散货船货舱段结构有限元分析

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摘 要：应用DNV的GeniE 和SEASAM软件对32000dwt散货船货舱段进行计算分析，使其满足散货船结构共同规范直接强度分析的要求。

关键词：结构共同规范；散货船；有限元计算

本船所有的居住舱室及驾驶室都布置在船艉，上建共5层。所有容积超过30m3 的油舱都设双壳。全船设有5个货舱，均为单壳双底。货仓区肋骨间距为800 mm，双底从机舱后壁延伸到首部防撞舱壁，双底高度为1600mm。货舱设计要求装载散装和包装谷物、煤、铁矿石、钢卷和其它干货，危险品装载则基于本船设备配置能力。压载舱布置在艏部、艉尖舱和货舱双层底。顶部边舱设左、右各2 个污水舱。双层底从NO1到NO5 货舱区域设中间管弄以便管系安装。本船空船重量约8 500 t，全船钢材用量约7 700 t，高强度钢的比例约占55%。经计算，本船总吨位不超过20 000，不需要满足SOLAS PMA的要求。本船还要求装运木材，甲板面及舱盖面需设置眼板和绑扎立柱。

本船第3舱兼做风暴压载舱，隔舱装载时，第2和第4舱可作为空舱。CSR散货船舱段有限元计算要求是算一个重货舱（即第3舱）和一个轻货舱（第2舱或者第4舱），其他同类型的舱采用相同的构件尺寸，特殊加强构件和规范要求的加强区域除外[1] [2]，本文仅描述了第3舱的分析结果。

2 有限元模型

货舱段结构有限元模型是由第2、第3和第4三个货舱组成，包括FR68～FR175所有船体结构。本有限元计算是根据以下图纸采用GeniE 和SEASAM软件建立有限元模型进行计算分析：

（1）基本结构图

（2）中横剖面图

（3）横舱壁结构图

（4）外板展开图

有限元模型坐标系设定如下：

（1）X方向为船长方向，并由船尾指向船首；

（2）Y方向为船宽方向，并由船中指向舷侧；

（3）Z方向为垂向方向，并由基线向上。

有限元模型需要满足以下要求：

（1）网格尺寸应等于或小于所表示的纵骨间距或舷侧肋骨间距；

（2）扶强材应用杆单元或梁单元建模；

（3）主要支撑的腹板在高度方向应最少划分为3个单元。然而，对于底边舱和顶边舱里的横向主要支撑构件，若其高度小于普通纵向腐强材的间距，则沿高度方向分成2个单元是可以接受的；

（4）舷侧外板肋骨的腹板和端部肘板用壳单元建模，面板用壳/梁/杆单元建模，腹板在高度上不需要再细划；

（5）单元的长宽比不超过4：1。

3 边界条件

计算边界条件，见表1、表2。

根据表1、表2，模型两端设置简支约束，纵向结构的端部节点刚性连接到中和轴上的独立节点，独立节点设置固支约束。

4 载荷工况

根据常规的90米及以上船长的散货船结构规范要求，由于所分析的货舱段是货舱和满压载舱组合，此加载情况参考规范[1]第四章表3中的直接强度计算分析标准。

5 许用应力

直接强度分析根据规范[1]第三章第2节。

（1） 等效应力

在有限元模型中的应力值不超过235/k N/mm2，其中k为材料系数，见表3。

（2） 屈曲和极限强度安全系数

板材的屈曲和极限强度的安全系数，取为1.0。

6 计算结果

6.1 主要支撑构件屈服强度

屈服强度评估的参考应力，为有限元分析中得到的平面单元中心的Von Mises 的相当应力（即等效应力）。经计算分析，3舱段最高应力值为307.9 MPa（如图3所示）。

高应力区主要有：

（1）主甲板个别板格的最高应力值为307.9 MPa；

（2）双层底肋板和桁材个别板格的最高应力值为284.6 MPa；

（3）舷侧外板最高应力值为279.3 MPa，高应力区主要在舱室端部；

（4）顶边舱斜板和垂直板最高应力值为278.4 MPa，高应力区主要在与主甲板连接部位；

（5）纵舱壁最高应力值为237.3 MPa，高应力区主要在与主甲板连接部位；

（6）底边舱斜板最高应力值为263.5 MPa，高应力区主要在舱室端部。

为控制空船重量，在这些高应力区域，本船都采用高强度钢以提高材料的屈服极限，使其满足了规范规定的强度要求。

6.2 主要构件的屈曲使用系数

经计算本船最大的屈服使用系数为0.983，小于屈曲安全因子，满足规范屈曲强度要求。

7 结 语

本文利用GeniE 和 SEASAM软件进行有限元计算分析，通过以上分析可以得出本船的强度满足CSR的要求。

本船的有限元计算结果已经通过DNV的认可，并根据有限元的计算结果进行结构优化，使本船在满足规范要求的前提下尽可能的减少结构重量；对最小板厚进行了详细的规定，本船在满足规范和计算的前提下，尽可能的采用最小板厚以减轻结构重量；对舷侧肋骨及其上下肘板的要求有所增加；对双层底内实肋板和纵桁的抗剪切要求有所增加。CSR09新规范对散货船的特殊要求：卷钢装载增加了线载和加速度的内容，直接导致了结构重量以及高强度钢比例的增加。按照新规范计算后内底需要25AH36，其中一舱因加速度增加需要26DH36，而母型船同样的装载内底只需要23mm普通钢。

参考文献

[1] IACS CSR， 国际船级社联合协会共同规范， 2009

[2] DNV RULES， 2009年1月