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8000t江海直达驳船的全船结构强度直接计算


船海工程   2005 年第 5 期 ( 总第 168 期)   文章编号   27953 (2005) 05203239 1671
demanded.

8 000 t 级江海直达驳船的全船结构强度直接计算
张少雄   陈南华     张 伟
1 1 2

1. 武汉理工大学交通学院   武汉   43006

3   长江航运科学研究所   2. 武汉   430021

摘     8 000 t 级江海直达驳船建立全船结构有限元模型 ,对特定航线的波浪载荷进行直接计算 ,参 要 对

照CCS 散货船结构强度直接计算指南 (2003) 》 《 计算货物压力 ,取用强度标准 ,利用惯性释放处理载荷平衡及边 界条件 。计算表明该驳船结构满足强度要求 。 关键词   船体结构强度   直接计算   惯性释放 中图分类号   U661. 43     文献标识码   A

cargo according to the Guide of Structural Strength Direct Analysis of the Bulk Carrier of CCS. The equilibrium of external

loadings is treated by means of inertia relief. The numerical results show that the strength of the barge fulfills the requirements Key words   structural strength of ship   direct calculation   inertia relief

   000 t 级江海直达驳船 , 为北仑 — 8 武钢的铁 矿石运输而研制 。在海上 200 n mile的航线上 ,与 1 080 × kW 海推组成一顶一船队 。 2 本船为全焊接 、 钢质单体船 ,尾部开槽 。结构 形式为全纵骨架式 , 货舱区为双底 、 双舷侧结构 , 船中处设平面舱壁 ; 首尾为单底 、 单舷侧结构 。 该船主尺度及主要参数如下 。 总长 99. 11 m ;     中剖面系数 0. 981 ; 水线长 98. 00 m ; 方形系数 0. 877 ; 垂线间长 98. 00 m ; 排水量 10 024 t ; 型宽 20. 00 m ; 站距 4. 90 m ;

型深 7. 60 m ; 肋距 0. 70 m ; 吃水 5. 80 m ; 梁拱 0. 40 m 。 为了保证船舶结构的安全性 , 除了进行规范 设计计算以及大开口船舶结构弯扭组合强度校核 外 ,还对其进行了全船结构的强度直接计算 。本
收稿日期   205219 2005

作者简介   张少雄 (1965 - ) ,男 ,博士 ,副教授

river2to2sea barge. This paper computes the wave loads in the specified routine with direct method ,calculates the loading of

1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

Abstract   The 32dimensional FE model is built for strength direct analysis with the whole ship structure of the 8000 t

The whole ship structural strength direct analysis for the 8 000 t river2to2sea barge
1. School of Transpotation   Wuhan University of Technology   Wuhan   430063 2. School of Transpotation   Wuhan University of Technology   Wuhan   430021 ZHANG Shao2xiong   CHEN Nan2hua  ZHANG Wei

文根据 8 000 t 级海驳船体结构设计图纸建立全 船结构的三维有限元模型 ; 按照给定的波浪参数 对波浪载荷进行直接计算 ,按照文献 [ 1 ] 的规定计 算货物压力 ,依据模型试验得到的顶推载荷 ,对该 船船体结构的强度进行了有限元直接计算分析 。

1  计算模型

取全船范围内的船体结构主要构件 , 按照该 船的型线 ,各构件设计尺寸 、 、 、 板厚 截面 开孔等建 立三维有限元模型进行计算 ,见图 1 。

图1  计算模型

模型中采用了以下几种单元 。 1. 1   板壳单元 模拟船体中的内外壳板 、 甲板 、 平台 、 纵横舱
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8 000 t 级江海直达驳船的全船结构强度直接计算 —— — 张少雄   陈南华     张 伟

壁、 肘板 、 纵桁和实肋板的腹板 、 舱口围板等板壳 结构 ( 构件) ,以及腹板高度大于 450 mm的扶强材 的腹板等 。板壳单元大多采用四边形单元 , 在连 接或变化较大处采用少量三角形单元过渡 。 1. 2   梁单元 模拟腹板高度小于 450 mm 的骨材 ,较大扶强 材的面板 ,开孔边缘的面板 ,支柱等 。梁单元考虑 各构件的实际截面和偏心 。 1. 3   板单元 板单元大小以肋距和纵骨间距为基准 , 边长 比控制在 1 :2 以内 ; 板结构上的开孔若小于单元 尺寸 ,予以忽略 ,若开孔大于单元尺寸则安装其实 际形状扣除相应的单元 ; 梁单元依板单元的边建 立 ,其大小与板单元相适应 。 模型中对首尾结构进行了适当的简化 , 如忽 略小肘板 , 甲板 、 平台和舱壁上的开口 , 以及近似 考虑连接装置的齿条等 。 模型中共 28 682 个节点 、 589 个单元 ( 其中 60 板单元 33 223 个 , 梁单元 27 366 个 ) , 计算时共 167 889 个自由度 。

2  工况 、 载荷及边界条件
考虑驳船满载和压载两种载况 ,静水 、 中拱波 浪和中垂波浪三种舷外水条件 ,以及自航 ( 0 速漂 泊) 和顶推力峰值的各种组合工况 。 模型中施加的载荷包括 : 货物压力 ( 包括矿石

图2  板单元形心处中面 Von Mises 应力云图( MPa)

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货物或者压载水 ) 、 重量 ( 包括船体结构自身的重 量、 设备舾装等的重量 ) 、 舷外水压力 ( 考虑静水 、 中拱波浪以及中垂波浪等波浪条件) 和顶推力 。 货物 ( 铁矿石) 载荷按照文献 [ 1 ] 计算 ,计算中 3 取货物密度 ρ = 3. 0 tΠ , 休止角 δ = 35° m 。以面 c 压力的形式施加 。 浪等 3 种波浪条件 , 用 SCLOS程序计算波浪载荷 以及波浪中拱 、 中垂状态的吃水曲线 ,按照波面的 形状 ,用类似于静水压力的形式施加 ( 考虑 Smith 修正) 。 根据模型试验得到三个方向上顶推力的峰 值 ,组合如下 : 沿船长方向的顶推力方向不变 , 大 小取其峰值 ; 因为船体结构左右对称 ,横向顶推力 仅取向左舷方向 ; 而垂向的顶推力 ,由于推轮和驳 船在纵摇和升沉的相对运动在两个方向上均有可 能 ,所以分别取两个方向上的峰值进行组合 。 采用惯性释放的方法处理边界条件 , 用结构 的惯性 ( 质量) 力来平衡外力 ,去掉支座 ,消除约束 点的反力对变形和应力状态的影响 , 以便得到更 加合理和符合实际情况的计算结果 , 对船舶结构 的强度进行更加合理的分析与评估 。
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船体构件钢料的重量以惯性力的形式施加 ; 其他质量 ( 如设备 、 人员 、 舾装 、 栏杆 、 舷梯 、 管线 、 焊缝等) 近似分配到船舶的首尾及货舱区 ,简化为 作用在主甲板上的均布面积压力载荷 。 舷外水压力考虑了静水 、 中拱波浪和中垂波

船海工程   2005 年第 5 期 ( 总第 168 期) 表 1   000 t 级海驳结构强度 、 8 应力结果 工况 静水 、 货物 、 无顶推力 静水 、 货物 、 上顶推力 静水 、 货物 、 下顶推力 中拱 、 货物 、 无顶推力 中拱 、 货物 、 上顶推力 中拱 、 货物 、 下顶推力 中垂 、 货物 、 无顶推力 中垂 、 货物 、 上顶推力 中垂 、 货物 、 下顶推力 静水 、 压载 、 无顶推力 静水 、 压载 、 上顶推力 静水 、 压载 、 下顶推力 中拱 、 压载 、 无顶推力 中拱 、 压载 、 上顶推力 中拱 、 压载 、 下顶推力 中垂 、 压载 、 无顶推力 中垂 、 压载 、 上顶推力 中垂 、 压载 、 下顶推力 σ e 最大
207. 18 216. 32 203. 23 184. 90 191. 94 181. 40 213. 20 220. 13 207. 97 98. 21 90. 33 119. 39 165. 70 134. 35 190. 35 79. 45 77. 12 82. 41 MPa  

σ x 最小

板单元形心处中面应力 σ y 最大 最小
- 70. 35 - 81. 12 - 71. 40 - 57. 35 - 66. 42 - 57. 20 - 73. 72 - 75. 35 - 75. 24 - 35. 52 - 55. 37 - 45. 58 - 53. 74 - 55. 74 - 57. 11 - 31. 63 - 54. 27 - 48. 97

σ z 最小 最大
67. 71 69. 94 64. 73 62. 62 63. 95 60. 15 69. 46 67. 98 71. 55 49. 52 49. 90 50. 38 65. 44 52. 18 75. 07 49. 13 49. 53 50. 20

τ max 最大
119. 16 124. 43 116. 92 106. 36 110. 44 104. 42 116. 13 117. 54 112. 71 54. 52 52. 15 63. 81 87. 71 71. 57 99. 78 45. 83 44. 46 47. 55

梁单元轴心应力 σ r 最小 最大
- 185. 64 102. 86 - 193. 44 118. 77 - 164. 48 95. 12 - 68. 66 - 81. 26 87. 46 94. 16 - 109. 98 95. 55 - 199. 37 151. 39 - 206. 99 148. 14 - 201. 85 157. 98 - 130. 22 127. 04 - 130. 44 127. 31 - 141. 07 145. 00 - 129. 75 189. 96 - 129. 77 170. 13 - 149. 58 199. 89 - 130. 77 123. 48 - 130. 95 131. 34 - 130. 67 124. 66

最大
65. 13 68. 79 63. 20 53. 79 56. 72 52. 00 67. 48 61. 11 64. 43 33. 40 41. 81 45. 23 48. 64 45. 18 57. 55 20. 99 41. 06 46. 47

- 144. 79 87. 94 - 173. 75 104. 52 - 134. 94 78. 70 - 72. 25 - 67. 17 46. 71 38. 88 - 103. 40 62. 40 - 200. 25 114. 46 - 202. 33 122. 89 - 184. 59 110. 37 - 60. 09 - 62. 68 93. 47 67. 30

- 55. 95 - 67. 87 - 48. 71 - 34. 87 - 35. 21 - 34. 56 - 80. 88 - 83. 74 - 74. 68 - 52. 79 - 52. 75 - 52. 80 - 52. 17 - 52. 16 - 52. 14 - 53. 24 - 53. 44 - 53. 27

- 80. 89 112. 50 - 101. 14 161. 84 - 93. 01 131. 58 - 126. 25 184. 96 - 24. 96 - 67. 95 - 68. 87 22. 48 42. 85 32. 47

3  主要计算结果
板单元形心处中面应力和梁单元轴心应力结 果汇总于表 1 。各主要构件的应力分量满足文献
[ 1 ] 所列的强度标准 。

(σ ) 、 梁单元轴心的应力可以基本上控制在文献 w [ 1 ] 规定的许用应力范围之内 ; 按照平均剪应力的

在中垂波浪 , 满载货物 , 尾部槽口受到纵向 、 横向以及向上的峰值顶推力状态下 , 船体结构中 的应力水平较高 , 计算得到该工况下板单元形心 处中面相当应力 ( von Mises) 的分布云图 ,见图 2 。

概念 ,所得到的构件上的剪应力也在强度标准之 内 ;也就是说 , 驳船结构的强度满足文献 [ 1 ] 中规 定的要求 。 3) 三种波浪条件对于满载重货和压载两种 载况下结构的应力有一定的影响 , 货物压力引起 的总纵弯矩与舷外水压力一起的总纵弯矩叠加 , 使得满载 、 中垂工况和压载 、 中拱工况的应力水平 比较高 。它们应该是评估驳船结构强度是否足够 的极限状态 。 4) 各种工况下 ,驳船货舱区中部舱口角隅附 近的构件应力水平较高 ,希望设计予以特别关注 。 另外 ,惯性释放功能的应用 ,解决了全船结构 强度直接计算中调整外力平衡的问题 , 有助于得 到更加合理和符合实际情况的计算结果 , 对船舶 结构的强度进行更加合理的分析与评估 。
参考文献
1  CCS. 散货船结构强度直接计算指南 . 北京 : 人民交通

4  结论
对 8 000 t 级江海直达驳船的全船结构强度 直接计算表明 : 1) 各种工况下 , 驳船货舱区结构 ( 尤其是舱 口围板附近) 的应力水平较首尾结构上的应力水 平要高许多 。说明本驳船结构控制强度设计的外 力是由舷外水压力和货物Π 压载水压力引起的总 纵弯矩 ,而由尾部顶推力造成的整体应力水平的 变化并不是主要的 。 2) 各种工况下得到的板单元形心处中面应 力中的相当应力 (σ ) 、 纵向应力 (σ ) 和横向应力 e l

出版社 ,2003. 77~89

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