（船舶与海洋工程专业论文）基于csr的大型油船（vlcc）结构设计研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 近年来，在国际船东组织的推动下，i a c s 开发出适用于散货船和双壳油 船的共同结构规范。该规范的实施在提高船舶安全性和环保性的同时，对船 舶的结构设计也带来巨大的影响。本文以双壳油船结构共同规范为基础，结 合一型正在开发设计的大型原油船( v l c c ) ，主要开展了以下几方面的工作： 1 ) 结合v l c c 算例对c s r 规范计算部分进行研究； 2 ) 进行船体结构( 三舱段) 的直接强度计算； 3 ) 基于d n v 开发的n a u t i c u sh u l l 进行疲劳计算； 4 ) 结合本船情况对众多船厂关心的c s r 对船体重量的影响进行分析， 给出新v l c c 设计时考虑c s r 钢材增加的设计建议。 关键词：v l c c , 有限元；直接强度计算；疲劳强度；结构设计 哈尔滨1 二程大学硕士学位论文 1 1 _ 一i i i i 宣i 胃皇i i 宣_ a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，d r i v e db ys o m ei n t e r n a t i o n a ls h i po w n e r so r g a n i z a t i o n ， c o n n t l o ns t r u c t u r a lr u l e sf o rb u l kc a r r i e ra n dd o u b l eh u l lo i lt a n k e ra r ed e v e l o p e d b yi a c s s h i ps a f e t ya n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na r eb o t hi m p r o v e da n dt h e a p p l i c a t i o no fc s rb r i n gg r e a te f f e c to ns t r u c t u r ed e s i g no ft h es h i p t h e d i s s e r t a t i o ns e ta e x a m p l eo f an e wv e r yl a r g ec a r g oo i lc a r r i e r ( v l c c ) b a s e do n c s ra n df o l l o w i n gi n v e s t i g a t i o nt ob ec a r r i e do u t ： 1 ) i n v e s t i g a t i o no fc s r r u l e sc a l c u l a t i o na c c o r d i n gt oav l c c ； 2 ) d i r e c ts t r e n g t hc a l c u l a t i o no fh u u ( 3c a r g oh o l d s ) ； 3 ) f a t i g u ec a l c u l a t i o nb a s e do nn a u t i c u sh u l l s o f t w a r eo fd n v ； 4 ) a c c o r d i n gt h i ss h i pa n a l y s et h ee 彘c to fc s rt os t e e lw e i g h tt h a tm a n y s h i p y a r d s 萄v em o r ea t t e n t i o n s ，t h e np r o v i d ec o n s i d e r a t i o n o fs t e e l i n c r e m e n tw h e nd e s i g nan e wv l c c k e yw o r d s ：v l c c ；f e m , d i r e c ts t r e n g t hc a l c u l a t i o n ；f a t i g u es t r e 啦s t r u c t u r ed e s i g n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 本人独立完成的。有关观点、方法、数据及文献的引用己在文中 指出，并于参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 缎爰墨 日期：2 诉月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 论文的背景和意义 第1 章绪论 长期以来，民船的结构设计主要以各船级社颁布的有关规范为依据。船 级社诞生至今，已有二百余年，不断进步发展，其在安全技术方面所做的贡 献，早已被各国政府、国际海事界所公认，在安全技术领域的权威性和公正 性被普遍认同。各国船级社对船舶结构的要求各不相同，但是又有很多的相 似之处。这给船舶的设计者、建造者、使用者和检验人员带来了不便之处。 为了减少船级社之间由于采用不同要求和标准引起的竞争，保证依照新规范 建造的船舶被工业界认可为和依照现行规范建造的船只起码同样安全有效， 并满足国际组织( 如i m o ，e u 等) 当前和将来制定的海上安全和环境保护法 规中有关结构强度、统一性及透明度的要求，同时也为了缓解今年来的海损 事故对航运界造成的压力，a b s ，l r , d n v 在2 0 0 4 年6 月提出了双壳油轮共 同规范j o 玳tt a n k e rp r o j e c t ) ) ( j t p ) 第一稿，为船长1 5 0 m 以上的双壳 油轮提供了新的设计和建造规范。c c s 依r 觚b v g l n a r s 【2 驯在2 0 0 4 年 7 月提出了散货船共同规范( ( j i o n t b u l k e r p r o j e c t ) ) o b p ) 。现在国际船 级社协会( t a c s ) 已经推广了这两个规范。( ( i a c sc s rj t p ) ) i l j 和( ( t a g sc s r m p 1 2 1 是国际船级社协会第一次在全球范围内推行统一规范，对造船界的影 响很大。 本文的目的，主要是全面理解和掌握油船结构共同规范的编写理念 和要求，在此基础上，以一条v l c c 油船为背景，按照油船结构共同规范 的要求完成船体结构的规范计算、屈服屈曲强度直接计算以及疲劳强度的计 算分析，掌握依照油船结构共同规范进行结构设计的具体方法和途径， 为以后其在实际工程中的应用奠定良好的基础。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 课题研究现状 1 2 1i a c s 双壳油船共同结构规范概述 各船级社的规范发展到今天，主要有两类各有技术特点的结构规范，即 一类是传统经验型规范( 如l r l 4 】，c c s t 5 1 规范等) ，该类型规范的体系和构成是 以多年经验为基础，表达形式主要以应用经验系数和多个针对不同结构类型 的公式为主，因此规范表达形式多样，内容相对独立，计算和分析比较依赖 于经验的输入；另一类是理论性规范( 如d n v t 6 j 规范等) ，该类型规范的特点 是以力学理论为分析基础，在规范体系建立和规范表达上严格遵循船舶结构 力学的基本分析模型，所以该类规范表达形式基本一致，内容通过载荷相互 关联，计算和分析手段可以更多应用现代计算分析工具。当然所有船级社的 规范都是经过多年的发展、积累，在不断地根据实际应用情况进行合理修正， 以满足船舶实际应用的需要，所以从这一点上讲，所有的规范都包含了实践 经验的内容，这些经验是必须继承和发展的。随着现代计算机技术和设计技 术手段的发展，理论型的规范体系较经验型的规范体系更符合现代船舶技术 的发展和应用。因此，为了适应现代船舶设计、建造和检验的需要，发展基 于力学基本原理基础上的，力学分析基本受力模型清楚、易于设计应用及理 解的规范是必须的。对于各船级社的目前本身规范安全标准而言，现代船舶 的安全运行表明这些船舶还是满足安全标准的，所以新的共同结构规范也必 须满足目前船舶实际状况的规范。i a c s 双壳油船共同结构规范的建立将： 1 ) 为各标准的特殊要求在油船结构规范中的进一步应用和发展提供一个 共同的平台； 2 ) 保证各规范标准的一致性，并提高规范研究的方法和范围的透明度， 减少各船级社规范的“黑箱”操作； 3 ) 共同规范可以在内容的一致性和逻辑性上更加完善，有助于简化规范 的升级和维护特别是可以在规范格式和应用标准方面与目前最新的设计过程 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i n n 宣i 暑宣i i 暑薯暑i 宣宣i 宣皇i 保持一致； 4 ) 为各船级社间严格而紧密的技术合作打下基础； 5 ) 由于避免了规范标准方面的恶性竞争，从而保证新规范能最大限度的 应用最新技术和统一标准。 i a c s 双壳油船共同结构规范内容是由a b s 7 1 ，l r 4 】和d n v 6 1 三家船级社 共同努力合作完成的。它是能够相对独立使用的规范，内容涉及国内、国际 的规则和标准、材料和工艺、结构布置、结构计算、设备、营运等方面的内 容。纵观整个油船共同结构规范，可以发现该规范是在i a c s 共同规范基本 要求的框架内，融合了l r 船级社结构规范中对油船建造工艺和结构细节处 理的经验和要求，采纳了d n v 和a b s 船级社油船结构规范中的载荷计算和 规范计算的表达形式和要求，并纳入三家船级社中直接计算方面( 包括有限元 分析、屈曲和疲劳计算、极限强度等) 的最新研究成果编写而成。在规范体系 框架、技术要求和标准、规范执行等方面i a c s 双壳油船共同结构规范具有 系统性、先进性、完整性、理论性强、高度透明化和实用性强等特点【3 】。 1 2 2 船体结构规范计算概述 在实船结构强度设计中，通常使用的方法是“规范”设计和“直接”计算 两种。“规范”设计中，其基本思想是将船体骨架全部离散成单个单跨杆件， 以支柱、舱壁或是舷侧作为支承边界。在规定的计算压头下，依据结构强度( 弯 曲和剪切) 理论，单个杆件需满足一定的强度、刚度和稳定性要求，再考虑其 安全系数，确定构件的剖面模数和弯曲惯性矩。所以“规范”中一般给出的是 构件剖面模数w 和惯性矩工的算式，其边界一般是简支或刚性固定，运用起 来简便可靠，强度也能得到保证，这就是“规范”的优势。然而，“规范”也不 能尽善尽美，由于船体结构是一个错综复杂排列有序的有机的整体，它的受 力也必然是个有机的整体，规范为了简化计算，人为的将结构拆散成单个构 件，而对单个构件的受力未完全恢复其木来面目，这样一来，必然会产生“失 真”。“规范”的制定在一定程度上反映了一个国家在一个时期科学技术发展的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；ti 宣i 昌薯暑宣i ；暑i 宣宣 水平同时，随着科学技术的不断发展和生产需要，“规范”也将随之不断更新、 提高和发展。 随着电算技术的广泛应用，“直接”设计相应诞生和发展起来，这一方面 也是由于“规范”不是万能的，它的使用受到了一定的条件限制。对于一些“超 规范”的特殊船舶也需另找出路；另一方面随着计算力学的计算技术的迅速发 展，作为反映现代设计思想的直接计算法，也就随之出现了。对于一些超规 范的船舶，“规范”设计有些力不从心，“直接，设计则可担当此任，它更真 实的反映了事物的基本特点，比“规范”设计更为先进。 1 2 - 3 船体强度直接计算概述 船体强度【矧是研究船体结构安全性的科学。所谓结构的安全是指结构能 承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种载荷和( 或) 载荷效应，并在偶 然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。此外，结构在正常使 用时，还必须适合营运的要求，并在正常的维护保养条件下，具有足够的耐 久性。 在一般情况下，船体强度计算应包括下述内容： 1 ) 确定作用在船体或各个结构上的载荷的大小及性质，所谓外力问题。 2 ) 确定结构剖面中的应力与变形，即结构的响应分析( 亦称载荷响应分 析) ；或者求使结构失去它应起的各种作用中的任何一种作用时的载荷，即结 构的极限状态分析( 亦称求载荷效应的极限值) ，即所谓内力问题。 3 ) 确定合适的强度标准，并检验强度条件。 长期以来，结构的安全性衡准都普遍采用确定性的许用应力法。该法以 预先规定某一计算载荷为基础，利用结构剖面中的计算应力盯与许用应力 p 相比较，即利用条件 仃【口】 来检验结构强度是否足够。因此，该法的特点是将计算中的有关参数都取为 单一的确定值。 但是，实际上船体强度计算中必须考虑许多不确定因素。首先，作用于 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i r - jir 。i i 船体的载荷具有很大的变动性和随机性，特别是波浪引起的载荷；其次，船 体结构材料的性能，如屈服极限、疲劳极限的不确定性；此外，如建造质量( 它 对结构强度的影响特别大) ，分析计算中的简化、假设、近似所造成的误差等。 由此可见，结构安全性是属于概率性的，因此，在结构强度计算中，只有运 用概率方法才能充分揭示作用在船体结构上的随机外力的真相和结构材料在 随机载荷作用下的破坏机理。 由于船体结构本身及其环境条件和相互作用的复杂性，在船舶工程中概 率方法的应用仍处于初步阶段。目前，在船舶建造规范中，对常规船笳，波 浪载荷仍以传统形式表达，但应用了随机性波谱理论以一定概率水平预报； 而对于超过规范规定的范围的船舶，则明确规定了一种半概率的“直接计算 法”作为补充，即对于波浪载荷运用概率法进行长期预报，但对船体结构的承 载能力仍沿用许用应力的确定方法。 近年来，由于新型船的建造和船舶的大型化及海洋平台开发的兴起，新 结构、新材料不断出现，船舶结构的屈曲、弹塑性破坏、疲劳和断裂等课题 提出，迫使我们寻找新的有效的船体结构分析方法：并且，随着计算机软硬 件技术的发展，将船体的局部结构甚至是整艘船划分为有限单元来进行分析 成为可能，船体结构强度分析从此有了革命性的突破。有限元分析方法，将 整个船体结构离散为能精确模拟其承载模式和变形情况钓有限单元。对于各 主要结构构件，按其受力状况分别以膜、杆、板、壳和梁等单元来表达。这 样可详尽地表述船体结构的微观细节，真实地表达出各个构件间的协调关系 与变化。通过大规模有限元软件分析求解，可以求出各个关心构件或区域的 实际变形与应力。这种方法是目前船体强度分析最准确、最完善的方法，也 是在理性结构设计中，最能精确预报结构对载荷响应的结构分析方法。 目前，对大型船舶以及结构新型船舶迸行船舶结构有限元分析，已是进 行船舶结构设计必不可少的手段。国内各科研机构中的科研人员对各种类型 的船舶进行船舶结构有限元分析，做了大量的研究工作。主要有以下：顾晔听、 傅雅萍、万沪广、赵耕贤的1 5 万吨双壳油船强度分析溺；马广宗、郑莎莎的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 5 0 0 0 d w t 散货船整船结构有限元分析计算模型浅析1 9 】；陈灏、罗展贤的 2 1 0 0 0 2 2 6 0 0 d w t 多用途集装箱船结构设计和直接强度计算【1 0 】；陈灏的 4 4 0 0 0 吨散货船结构扭转计算i l l 】；朱胜昌、陈庆强、郭列、江南的船舶强度 直接计算中的有限元分析模块和在整船分析中的应用【2 1 ；陈庆强、朱胜昌的 船体结构强度直接计算中的外载荷节点化方法f 1 3 1 ：赵耕贤、杨志勇的1 5 万 吨油船有限元强度分析及方法研究d 4 ；马建、马广宗的七万吨自卸散货船货 舱段结构有限元强度分析1 1 5 1 ；陈庆强、江南、朱胜昌、胡劲涛、吴斌的3 0 0 0 0 吨多用途船船体舱段强度的有限元计算分析【l ；张少雄、杨永谦的关于油船 结构强度计算的几种方法( 17 1 ：陈有芳、徐立的船舶结构强度直接计算分析中 应力的选取f 1 列等。 在船体结构强度直接计算中，多采用舱段有限元分析方法。目前，各船 级社有各自独特的计算方法和强度标准。在直接计算中，不同的有限元模型 范围、不同的载荷计算原理、不同的边界条件处理方法，对计算得到的结果 都有很大的影响，而且所需要校核的应力成分及强度标准都不相同。世界上 各国船级社在船舶结构强度直接计算中，各自形成了独特的计算方法，并且 在实际工程中得到广泛应用，适用性得到实际的检验，为在这个领域进行进 一步研究奠定了夯实的基础。i a c s 于2 0 0 6 年推出的c s r ，对船体结构强度 直接计算做了明确而详细的规定。其有效性和可靠性还需要广大的科硬人员 进行大量的实船计算、分析，并与已经成熟的计算方法相比较，以迸一步完 善该规范。 1 2 4 船体疲劳强度研究概述 自2 0 世纪9 0 年代以来，世界各鼠的主要船级社，例如，挪威船级社 0 3 n v t 2 6 j ) 、美国船级社( a b s ) 、德国劳氏船级社( g l ) f 聊、英国劳氏船级社r ) 等，陆续在其各自的船舶设计靓范中建立了船体结构疲劳强度评估方法。中 国船级社( c c s ) 也于2 0 0 1 年正式颁布了船体结构疲劳强度指南，1 2 0 1 。 目前各国船级社提出的疲劳强度评估方法主要可分为简化算法或直接计 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i iii l l rpa , i- l l - i i 1 1 i | 暑宣i 算法。在简化算法中，疲劳载荷和应力计算是用简化公式；或者载荷用简化 公式计算，应力是用有限元直接计算；在直接算法中，载荷是用波浪载荷程 序直接计算，应力用有限元直接计算，然后采用谱分析的方法或设计波的方 法进行疲劳累积损伤的计算f 2 。 虽然各个船级社分别建立了各自的疲劳强度校核方法，但是目前的很多 研究表明，按各个船级社提出的疲劳评估方法进行计算，具体的计算过程和 公式不同，结果可能会有很大的差异。这些情况表明，对于船体结构的疲劳 评估问题，目前的方法还不能完全令人满意，尚有许多问题值得进一步研究 探讨。但应该看到，基于谱分析的直接计算法的物理含义最为清晰，过程合 理【2 引。要想得到合理统一的疲劳评估方法，基于谱分析的直接计算方法还是 最有发展前景的。一个重要的原因在于，这种方法避免了得到“简化疲劳载荷” 与“简化应力公式及其组合”过程中出现的各种闯题。但是，采用基于谱分析 的疲劳评估直接计算法必须面对这样个问题，即此方法工作量十分巨大， 且技术要求高，即使是各船级社，几乎也没有在其规范中提出基于谱分析的 疲劳评估直接计算法的完整解决方案。从减小工作量的角度出发，设计波法 是一种值得研究的方法，尽管设计波方法的提出已有段时间，但是关于疲 劳评估设计波方法的研究文献还是相对比较少的鳓，所以对疲劳评估设计波 法进行研究是比较有意义的，特别是在工程上具有十分重要的意义。 综上所述，就目前的情况而言，尽管已经有了一些船舶疲劳评估的方法， 但是由于疲劳强度评估是涉及船体载荷、结构应力分析、节点应力集中的处 理、s - n 曲线的合理确定、疲劳累积损伤计算等众多方面的复杂问题。 a c s 共同规范的提出，旨在同一各船级社对船舶安全性得要求，对船舶疲劳强度评 估也是如此，在传承各船级社疲劳规范的基础上统一了船体我荷、结构应力分 析、节点应力集中得处理、s - n 曲线得确定、疲劳累积损伤度计算等众多方 面的问题。 1 3 论文主要工作 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 审皇皇_ l 皇毒蕾i 薯i 一! i 薯皇宣_ _ 篁宣萱l 叠 1 ) 仔细阅读并研究了i a c s 双壳油船共同结构规范中的有限元强度评估 内容，掌握共同规范对结构规范计算、直接计算、疲劳强度计算的有关规定 以及具体实施方法和途径。 2 ) 以某v l c c 油船为例，进行规范计算方法研究。根据规范确定船体 主要构件初步尺寸，给出三舱段有限元计算模型的初值。 3 ) 基于共同规范的有关规定，进行船体强度直接计算，主要工作有限元 模型的建立、计算工况和载荷的确定以及中部舱段的剪力和弯矩调整技术等。 4 ) 基于d n v 开发的n a u t i c u sh u l l 进行疲劳计算。采用名义应力 法对v l c c 某些典型节点进行疲劳强度评估。 5 ) 结合本船情况对众多船厂关心的c s r 对船体重量的影响进行分析， 给出新v l c c 设计时考虑c s r 钢材增加的设计建议。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章双壳油船规范设计 在i a c s 双壳油船共同结构规范中，对船体结构构件主要需要做两方面 的计算验证。一方面是对结构构件有严格的尺寸要求，这需要进行规范计算； 另一方面则是在规范计算的基础上对货舱区结构进行有限元强度评估，从而 进一步确定结构构件是否满足强度要求。 本章将详细论述结构规范计算的一般过程，并结合一艘3 2 万载重吨原油 船的设计情况进行具体的算例分析。 规范计算主要包括如下几个部分： ( 1 ) 总纵强度与纵向水密构件的规范计算； ( 2 ) 货舱区域的规范计算； ( 3 ) 其它计算( 晃荡、底部砰击、艏部冲击、甲板上浪) 2 2 双壳油船的规范设计 2 2 1 设计载荷 设计载荷的确定是进行规范计算的基础，因此在进行规范计算之前，本 节将对设计载荷的计算方法进行分析。 c s r 的载荷部分主要规定了两大类，即静载荷和动载荷。 2 2 1 1 静载荷 静载荷又分为船体梁静载荷和局部静载荷。 船体梁静载荷规定的是船体梁最小静水弯矩和船体梁最小静水剪力，船 体梁的许用静水弯矩应大于等于设计最大静水弯矩，船体梁的许用静水剪力 应大于等于设计最大静水剪力，船体梁的许用静水弯矩应分别大于船体梁最 小静水弯矩和装载手册中给出的最严重静水弯矩，船体梁的许用静水剪力应 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i ii i i i i 1 1 宣墨一 分别大于船体梁最小静水剪力和装载手册中给出的最严重静水剪力。考虑船 舶设计和建造阶段可能产生的影响，c s r 建议对装载手册中给出的最严重静 水弯矩增加5 作为设计最大静水弯矩，对装载手册中给出的最严重静水剪 力增加1 0 作为设计最大静水剪力。 局部静载荷包括如下四类： 舷外海水静压力 岛。= p ，g ( t z , c 一z ) k n i m 2 ( 2 1 ) z ：载荷点的垂向坐标，但是不应超过正m ：海水密度，为1 0 2 5 ，t m 3 乃r ：特定工况下的吃水，m ，见2 2 1 选自装载手册( 包括完整稳性、破舱稳性和压载水置换工况) ，在 所有的载荷计算中，关于载荷点的选取可参见c s r 第3 节的规定。 液舱内部静压力 己一螗= p g z 咄 k n m z ( 2 2 ) 缸：液舱顶部到载荷点的垂直距离 本船不采径流法交换压载水且不设压力释放阀，取最深平衡水 线、溢流管顶部和液舱顶部以上2 4 米三者距载荷点之间距离的最大 值。 来自甲板分布负荷的甲板静压力不小于1 6 k n m 2 。 来自重物的甲板静载荷，当重物质量大于2 0 吨时予以考虑 厶= g 姒膨 ( 2 3 ) 2 2 1 2 动载荷 动载荷分为船体梁动载荷和局部动载荷。 船体梁动载荷包括垂向波浪弯矩和剪力、水平波浪弯矩，它的计算仅与 船舶的主尺度有关，与船体梁的静载荷一起构成船体梁外载荷来校核船体梁 的总强度。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 高l _ 置_ i 宣宣_ | 膏暑置暑葺皇皇昌i 置审i i i il l _ | 皇鼍叠 局部动载荷包括：波浪动压力、液舱动压力、上浪载荷和甲板动载荷。 波浪动压力主要用来计算船体外板，由于本船采用d n v 的专用软件进 行规范计算，相应的压力值可自软件中读出，以校核相关构件的规格尺寸。 货油舱区域的液舱内部动压力； 兄一加= 厶( 工乞一，+ z 己一，+ 无g 己也g ) 剧脚2( 2 4 ) 己一，：由垂向加速度引起的液舱动压力包络值，参考点取为舱顶； 己一，：由横向加速度引起的液舱动压力包络值，参考点取为左舷舱顶 ( p o ) 或右舷舱顶( 矗 0 ) 或液舱后端舱壁( 缸g 0 ) ； 对于尺度要求，表2 - 3 中的动载荷实例适用于设计载荷组合s + d 的要求，每组动载荷实例中的载荷组合因子如下表2 1 和表2 2 。 表2 1 船中和船尾货油舱区域的动载荷一装载工况 船中和船尾货油舱区域的动载荷一装载工况 波浪方向顶浪 斜浪舷向浪 实例 1234 a4 b5 a5 b6 a6 b7 a 7 b 中油舱垂直加速度 0 20 5o 40 1 0 ，l0 5o 5ll ll 左油舱垂直加速度 0 2o 50 40 1o 1o 20 60 8l0 81 右油舱垂直加速度 o 20 50 40 1 o 1o 6o 210 8l0 8 横向加速度 oo o o ol- 10 50 50 60 6 中油舱纵向加速度 o 3- o 6l- o 3 - 0 3一o 1 o 1o 5o 50 6一o 6 左油舱纵向加速度 0 3- 0 610 4- 0 2o 。1 o 1 o 5o ，5 o 6- o 6 右油舱纵向加速度 0 30 610 2 0 4 o 1 0 1 0 5o 5 一o 6 0 6 双层底压载舱纵向载荷因子 0 30 61o 30 3- 0 10 1 o 5o 50 6 o 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 2 船首货油舱区域的动载荷装载工况 船首货油舱区域的动载荷一装载工况 顶浪斜浪舷向浪 实例 l23 a 3 b4 a4 b5 a5 b6 a6 b7 a7 b8 a8 b 中油舱垂直加速度 0 70 60 6- o 60 70 70 90 9 0 70 7 110 4 o 4 左油舱垂直加速度 o 70 60 60 60 7o 70 9l 0 70 。70 91o 3 o 6 右油舱垂直加速度 0 7- o 60 6o 6d 7o 7 lo 90 7o 710 9 0 6 0 3 横向加速度 o0- 0 40 40 1o 1o 7o 7o 5o 50 6o 611 中油舱纵向加速度 o 8l0 80 8110 50 5110 50 。50 。10 1 左油舱纵向加速度 一o 811o 61- 0 90 5o 5- 1o 70 50 5o 1o 1 右油舱纵向加速度 o 81 0 61110 50 5- 0 710 50 50 1o 1 双层底压载舱纵向载荷因子 o 8 1o 8o 81- 10 50 5110 50 5o 10 1 c s r 规定的上浪载荷的最小值为3 4 3 k n m 2 ，主要用于对主甲板的校核，一般 取如下两式中大者： = 丘丑( 厶丑一耽一1 0 z , a r ) k 研2 ( 2 - 5 ) 只膻= o 8 a 一破( 最一耽一1 0 缸一r ) k n i m 2 ( 2 - 6 ) 对左右舷分别计算，取二者问的插值。对本船来说，该值对甲板强度影 响微弱，只须对一些结构设计细节予以考虑即可。 甲板动载荷指的是甲板重物在随船体运动过程中由于垂直加速度产生 的动载荷，计算公式： 一咖= 厶工- m d 吃盛一咖j 【历2 ( 2 7 ) 匕一咖= 生 k n m 2 ( 2 - 8 ) g 由于本规范沿用的主要是d n v 的规范理论体系，规范计算的公式体现 了结构力学的基本原理，符合力学逻辑，易于理解，所以外载荷的计算作为 结构计算的重要输入项，在规范计算中至关重要。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 总纵强度计算 本船的总纵强度计算主要利用d n v 的n a u t i c u sh u l l 软件进行，具 体过程如下： 根据中横剖面图建立中剖面的纵向结构模型； 图2 1 中剖面的纵向结构模型 1 3 堕奎鎏三堡查兰翟圭兰墨尘圣 输入舱室定义和肋距布置、设计弯矩数据： 图22 肋距分布 图2 3 舱室定义 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 图2 4 设计弯矩输入 输出计算结果； 通过d n v 的专用结构计算软件可以计算船体总纵强度、纵骨与肋板连 接处的名义疲劳寿命以及外板、上甲板、内壳板、纵舱壁、内底板、中纵桁 的规范要求的构件尺寸，从而基本确定了货舱区平行中段的所有纵向构件的 尺寸规格。但是，实际上由于v l c c 的船体结构特点和c s r 关于剪力修正的 规定，舱段内纵舱壁的板厚变化较大，因此在建立船体纵向构件的有限元模 型之前，应先进行船体梁的剪切强度计算。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 3 船体梁剪切强度计算 船舶在运营过程中，要承受各种外力，诸如重力、浮力、摇摆时的惯性 力、水阻力和波浪的冲击等。在分析船体强度时，通常将船体视作一不变剖 面的空心梁，只考虑沿其船长方向，承受不均匀分布的重力与浮力。由于空 船重量为不变重量，其重量分布曲线不变，且波浪剪力沿船长分布曲线不变， 所以引起船体梁许用剪力变化的就是装载工况。根据它们的叠加得出最不利 的装载工况作为计算状态，校核船体粱剪切强度。 船体梁的净尺寸剪切能力q 一删。应不小于所要求的垂向切力g v 一脚。 q 一御= 线一聊+ 既 k n ( 2 - 9 ) 基于净尺寸所考虑的板的单位剪流 吼= o 1 z ( 挚塑哟l o 曲( 2 1 0 ) v - n a 5 0 船体梁剪切强度主要对承受船体梁剪力的构件进行校核，主要包括：舷 侧外板、内壳板、纵舱壁等船体纵向构件。它们对剪切强度的贡献体现在切 力分布因子z 上，如下图： 图2 5 切力分布因子 每个剖面上的剪力是由相邻单位长度的船体受到的重力、浮力和波浪力 的不同引起的，又因为装载主要是以舱为单位所以其剪力变化点一般在水密 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 横舱壁处和舱中。货油舱间纵舱壁和横舱壁水平桁材连接处需要进行剪力修 正，t 。k 删：5 0 ，t 。卜k 分别是引入了纵舱壁切力修正和横舱壁水平桁载荷引起的 剪切修正。 t 。b 。吐5 0 = t f 。一0 5 t 一 r n m 。t = 等詈( 一f s i r 兰。n e t ) 一 ) u 由于剪力的流动引起的剪切强度在纵向与垂向的变化如下 ( 2 1 i ) f 2 一1 2 1 图2 6 纵舱壁的切力修正 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 7 水平桁的修正区域 2 2 4 横舱壁的规范计算 横舱壁的规范计算主要包括壁板厚度计算、舱壁扶强材的剖面模数和剪 切面积计算，在输入载荷正确的情况下，计算相对简单。 壁板厚度计算公式： t 懈- 0 0 1 5 8 a p s m m ( 2 1 3 ) 舱壁扶强材的剖面模数计算公式： 乙= 面 p ls l 石b d 9 2 c m 3 ( 2 - 1 4 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 舱壁扶强材的剪切面积计算公式： ，s h r p l s l s h r d 咖c t 彳y a m m( 2 1 5 ) 根据验收衡准要求将计算过程分为a c l ( 静载荷) 和a c 2 ( 动载荷) 两 类，各货油舱在同样载荷点高度的静载荷值基本相同，但动载荷值则相差较 大，尤其是第一货油舱的动载荷系数，c s r 都单独给出。计算结果表明，横 舱壁板架的规格主要由动载荷值确定，只有临近甲板的一列板由最小厚度要 求确定，t - - - - - 4 5 + o 0 2 l 2 = 4 ，5 + 0 0 2 3 0 0 = 1 0 5 ，该处的腐蚀余量视该货油舱是否 加设加热盘管取4 o 或4 。5 ，从而得到最上列甲板的规范计算厚度。 对于舱壁扶强材的规范计算，一般取横舱壁水平桁处为扶强材的支点， 按照规范要求来选取跨距，进行计算。在这里，需注意临近甲板的水平桁由 于侧向压力较小，腹板高度根据人员的行走要求而设计，不满足规范中对 p s m 的要求，需将其与舱壁扶强材组成二维梁系进行初步计算，再建立有限 元模型进行设计验证。 2 2 5 主要支撑构件的规范计算 主要支撑构件包括：双层底肋板和桁材；上甲板下的甲板横梁；双舷侧内的 舷侧横框架；纵舱壁垂直桁；横舱壁水平桁；边货油舱或中间货油舱撑材。 根据规范规定，主要支撑构件的剖面模数和剪切面积可以折减到规范要求 的8 5 ，所有主要支撑构件的尺度应通过货油舱结构有限元( f e m ) 的分析 校核( 在第三章中介绍) 。 以上主要支撑构件的计算须按照下表2 3 指出的设计载荷，取大者，带入 规范计算公式进行计算。 1 9 兽至薹三鹜奎兰鎏圭兰兰垒三 表2 3 主要支撑构件的设计载荷组合 结构 戴荷 蛆合载荷分量吃水说明 构件 ( 1 1 1 o0 9 k ( 2 双层厩海水压力 2 圪k 肋板和 己一匕0 6 k 压载水压 纵桁3 ) 力和海水 己匕( 4 ) 压力之差 i 匕0 9 k 海水压力 舷侧横圪 框架( 3 3 只0 6 货油压力 只 仅上浪压 ! z 锄，q ，j m _ _ ：口目w t 啊 1 足k力或其它 甲板强 甲板载荷 横梁 己0 6 货油压力 4 圪 3 只0 6 一侧压 力，货汕 舱满舱， 只 相邻液舱 纵舱壁 空舱。 垂直桁 一侧压 3 巴0 6 力，货油 舱满舱， 相邻液舱 4 昂 空舱。 横舱壁 巴0 6 & 一侧压 力，货油 水平桁 只舱满舱， 一一一一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 相邻前部 或后部液 舱空舱。 两种情况 p d 必须评 估l 前空 2 前满后 边货油胎 中心赁 e + p 。_ b 0 6 & 满舱，中 油舱撑 心货油舱 材 只 生舱 只+ 巴 1 4 k 中心货油 边货油 p + p 。 舱满舱， 1 5 0 6 舱撑材 边货油舱 空舱 只+ 艺 1 6 式中： 1 p 。n 2 己m 注 左舷边货油舱设计压力，k n m 2 右舷边货油舱设计压力，k n m 2 1 每种设计裁荷组合的设计载荷组合、接受衡准和萁它载荷参数。 2 对中心货油舱为7 ；，对边货油舱为0 , 9 7 0 。 3 底部肋板，纵桁和舷侧横框架的指定吃水基于装载手册中的操作限制。当任一装载工况超过规范要 求装载工况，吃水就应进行特殊考虑。 4 对于具有两道油密纵舱壁的油船，吃水取为02 5 1 对于具有道油密纵舱壁的油船，吃水取 自03 3 l 。 表24 主要支撑构件许用应力系数c 一，和c 叫 接受衡准 许j ；l j 弯曲应力系数c ，许崩剪切应力系数e a c l 07 007 0 a c 208 5 般地，p s m 的净剪切而积和剖面模数的计算公式如下 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如一槲卯：毒竖 c m 2 ( 2 1 6 ) 4 打一槲5 0 = 二二= 一 c m ( 2 。1 6 ) 乙t p 产徊 乙：= i o 一0 0 m m 3 ( 2 - 1 7 ) e t 5 0 c m 么n2 ：一 c s p r 0 _ 岖 2 2 。6 其他计算( 晃荡、底部砰击、艏部冲击) 在规范计算中还包括晃荡、底部砰击、艏部冲击等对局部结构的强度校 核，本小节主要对这三种情况进行分析。 2 2 6 ，1 晃荡 船舶运动将会引起货油在舱内晃动，特别在货油舱部分装载下，船舶 的横摇周期或纵摇周期接近货油的运动周期时，货油的晃动将对货舱的纵舱 壁和横纵舱壁产生巨大的动力载荷。因此在结构计算尺寸时，要将晃荡压力 作为重要的动力载荷加以考虑，尤其在计算舱室角隅，纵舱壁水平桁、横舱 壁水平桁、及其防倾肘板时。 由于船舶横摇运动产生的晃荡对改变船舶的稳性高度是十分敏感的，而 纵摇运动产生的晃荡对吃水也是十分敏感的，尤其是v l c c 每个液舱长达5 0 米，其剧烈的晃荡对船体结构和船舶性能产生重要影响，所以要设置制荡舱 壁。制荡舱壁对减小晃荡是十分有效的，从而优化结构、改善总体性能。 在三大主流船型( 油船、散货船、集装箱船) 中，油船的特点之一就是 具有较大的液舱，从而晃荡计算也成为了油船结构设计必须重点考虑的问题。 关于晃荡压力的计算可根据液舱的结构布置按照规范计算公式进行，纵 向晃荡压力计算公式如下： p s f h - l a g = p g l ，l h f a h o 4 一( 0 1 3 9 - 1 7 三1 , h 3 5 、| l 。1 l k n m 2 ( 2 1 8 ) 横向晃荡压力计算公式： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 e 胁。= 7 p 如( 誓一o 3 ) 伽0 7 5 k 姚 q 棚， 纵向晃荡压力的分布示意图： 图2 8 纵向晃荡压力的分布 横向晃荡压力的分布示意图： 图2 9 横向晃荡压力的分布 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当有效晃荡宽度小于03 2 b 时不必进行横向晃荡计算，最小晃荡压力取 2 0 k n m 2 。在实际的设计过程中该计算对横舱壁水平桁的设计和横舱壁附近 肋位的纵舱壁垂直桁、甲板横粱的设计影响较大，需特别注意。示意图如下： = l ，歹。 i 一、 2 嚯# 掌扛= = 二士_ _ f _ _ _ _ = 一 图21 0 纵向液体运动导致的晃荡载荷的适应范围 图21 1 横向液体运动导致的晃荡载荷的适应范围 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 6 2 底部砰击 船艏底部砰击压力是船舶在波浪中航行时，在某一瞬间，艏部有可能露 出水面，而后又突然下降与水面相击，产生巨大的砰击力( 约为静压力的6 倍) ，因此它是设计船艏底部结构的重要载荷。 根据c s r 规定，砰击压力的计算公式和加强区域如下： 一 匕。一耐= f s l m l 3 0 9 c a , 咧g q k n m 2 ( 2 - 2 0 ) 一f a t = 厶1 3 0 9 c , t , , , 一舢8 q - , p g z b o u k n 耐 ( 2 2 1 ) 2 2 6 2 艏部砰击 图2 1 2 抵抗船底砰击加强范围 船舶在汹涛骇浪中易产生严重纵摇，其艏部甲板因溅浪的堆积而对船体 产生严重的上浪冲击压力。 为了减少甲板上浪，艏部水线以上外板型线设计成外飘状，为了增加艏 部甲板的系泊操作面积，呈更大的外飘。考虑到外飘型船舶受到的巨大冲击 压力，要对船艏冲击区的外板和内部结构进行加强。 艏部冲击压力计算的重要输入参数就是所考虑位置处的水线角口和 局部外飘角y ，若口 3 5 0 则取口- - - 3 5 0 ，若7 , 5 0 。则取7 = 5 0 0 , 此二角度的具体定 义见下图： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 瞄宣葺宣昌_ 岛i 鼍譬i 膏高昌暑鼍宣宣i 。iu t i 置萱薯_ 宣；| _ 皇毒_ 宣昌_ 皇薯 图2 1 3 艏部几何形状定义 冲击压力的计算公式如下： 圪= 1 0 2 5 f , , , , e 。2s i ny 。f k n m 2 式中自规范中选取， v 二= 0 5 1 4 x 0 7 5 v x s i n a ：w l + - l c i m = ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 冲击载荷和砰击载荷都是瞬时载荷，所以结构衡准采用塑性计算公式， 除载荷的计算方法有所差别外，构件的结构计算方式基本相同。加强范围如 下图2 1 4 所示： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 邕啦t 一 董垃 留 菰隔巴 l s 幻嗽触鬈e 甑a 嘲o f 鸭 _ _ 一 q 1 乞 图2 1 4 对船艏冲击的加强 对于与船体线型相关的结构计算，往往在船体线型精光顺之前的送审设 计阶段进行，因此一般都会在角度量取时取值偏大，存在一定的裕度，可通 过调整设计流程，预先完成船体线型精光顺，在进行船体的砰击和冲击计算， 最大限度的减轻船体钢材重量。 2 3 实船算例分析 2 3 1 主要船体参数及载荷参数 总长3 3 2 0 0 m 垂线间长3 2 0 0 0m 规范船长3 1 6 2 2m 型宽6 0 0 0m 型深 3 0 ，5 0 m 结构吃水 。 2 2 5 0 m 规范规定的方形系数0 8 5 8 8 考虑余量的最大航行速度 1 7 2 0 k n 设计最大静水弯矩 航行状态停泊状态 中拱8 2 0 0 0 0 0 k n m 10 0 0 0 0 0 0 k n ，i n 2 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一i 一 t i 宣昌i 宣i a - 中垂 - 7 0 0 0 0 0 0 k n m 一8 0 0 0 0 0 0 k n m 局部动载荷的计算需对如下一些设计输入：初稳性高、横摇回转半径、 横摇固有周期、横摇角、纵摇固有周期、纵摇角；公用加速度参数、垂向加 速度包络值、横向加速度包络值、纵向加速度包络值。 表2 4 载荷参数 垂线间长 3 2 6m 液舱重心位置 规范船长 3 1 6 2 2mx5 8 型宽 6 0my1 8 1 8 结构吃水排水体积3 6 6 6 2 3 1 m 3 z2 1 9 1 结构吃水2 2 5m 垂荡垂直加速度 2 7 2 9 0 4 方形系数 0 8 5 8 8 0 9 3 纵摇垂直加速度2 4 4 2 3 l 特定装载工况吃水 1 3 5m 横摇垂直加速度 1 3 3 6 1 5 稳心高 1 4