（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）双壳散货船强度评估及结构重量优化.pdfVIP

中文摘要 散货船的舷侧结构是整个船体结构中最薄弱的环节之一，目前绝大多数散货 船为单壳结构，根据多年的散货船事故统计显示，在舱口盖、管系、甲板、舷侧 外板、船底结构等诸多损伤中，单壳散货船的舷侧外板事故率是最高的。为了有 效解决散货船船体结构和营运过程中出现的这些问题，提高散货船，尤其是高龄 散货船的使用安全性，散货船的双壳化日渐提上了国际海事界的议事日程。本文 以一艘散货船为例，运用剪力流法计算了单双壳两种结构形式下船舶的剪应力， 结果显示，采用双舷侧结构可以大幅度减小舷侧板、顶边舱、底边舱部分的剪应 力。对于其它部分，双舷侧形式下的剪应力相对于单舷侧结构也有所减少，但幅 度不大。 双壳概念的引入给散货船在结构强度和使用维护等方面无疑带来了很多好 处，但双壳的引入将在一定程度上增加船体的结构重量，并且减少了部分装载空 间。因此有必要对船体构件进行优化设计，以减小结构重量，同时弥补舱容的损 失。本文采用进化算法，对一些纵向构件、横向框架结构以及船中区域的槽形横 舱壁进行了优化设计。结果表明，经过优化设计，大大减轻了双层壳体散货船的 结构重量，使之与未经优化的单壳散货船十分接近。 关键词：双壳散货船：剪力流；进化算法 a b s t r a c t f o rb u l kc a r r i e r s ，t h es i d es h e l li so n eo ft h ew e a k e s tp a r t so ft h eh u l l m o s to f p r e v i o u sb u l kc a r r i e r sa r es i n g l e - h u l lb u l kc a r r i e r s ，a c c o r d i n gt ot h ec a s u a l t ys t a t i s t i c s o fb u l kc a r r i e r s ，t h ea c c i d e n tr a t eo ft h es i d es h e l lo ft h es i n g l e - h u l lb u l kc a r r i e r si s h i g h e s ta m o n gh a t c h , p i p e ，d e c k ，s i d es h e l la n db o t t o me t c i no r d e rt os o l v et h e s e p r o b l e m sw h i c ha p p e a ri nh u l ls t r u c t u r ea n dt h ep r o c e s so fm a n a g i n g ，a n di m p r o v et h e s e c u r i t yo f b u l kc a r r i e r se s p e c i a l l yt h es e n i l eb u l kc a r r i e r s ，t h ed o u b l e - h u l ls t r u c t u r eo f b u l kc a r r i e r si sp u tt ot h es c h e d u l eo f j m oi n c r e a s i n g l y a ne x a m p l eo f ab u l kc a r r i e r i sg i v e ni n t h i sa r t i c l e ，t h es h e a rs t r e s so fs i n g l e h u l la n dd o u b l e - h u l ls t r u c t u r ei s c a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l yu s i n gt h em e t h o do fs h e a rf l o w n l er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e s h e a rs t r e s s e so fs i d es h e l l ，t o pa n dh o p p e rt a n ka r ed e c r e a s e dal o tb yi n t r o d u c i n gt h e d o u b l e - h u l ls t r u c t u r e ，w h i l et h ec h a n g e so fs h e a rs t r e s s e si no t h e rp a r t sa r ed e c r e a s e d l i t t l e m a n ya d v a n t a g e sa r eb r o u g h tf o rt h es t r u c t u r es t r e n g t h ，u s ea n dm a i n t e n a n c eb y i n t r o d u c i n gt h ed o u b l e - h u l ls t r u c t u r e ，b u tt h es t r u c t u r ew e i g h ti si n c r e a s e da n dt h e v o l u m eo ft h ec a r g oh o l di sd e c r e a s e da tt h es a m et i m e i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ， t h eo p t i m u ms t r u c t u r a ld e s i g no fd o u b l eh u l lb u l kc a r r i e r sb e c o m e sn e c e s s a r y i nt h i s a r t i c l e ，t h el o n g i t u d i n a l ，t h et r a n s v e r s ea n dt r a n s v e r s eb u l k h e a dm e m b e r sa r e o p t i m i z e di n d i v i d u a l l yu s i n gt h ee v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n 髓er e s u l ti n d i c a t e st h a t t h ew e i g h to ft h ed o u b l eh u l lb u l kc a r r i e rc a l lb er e d u c e dt oar e a s o n a b l ea m o u n ti n c o m p a r i s o nw i t ht h ee x i s t i n gs i n g l eh u l lt y p e s ，n o to p t i m i z e d ， k e y w o r d s ：d o u b l e - h u l l b u l k c a r t i e r ；s h e a r f l o w ；e v o l u t i o n a r y c o m p u t a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弓长1 诵高签字日期：劲p - f 一年月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 施诵绍 澎 导师签名：屈 力灯j c ? 鸳 签字日期：枷。r 车f 月j 白签字日期：2 舛月6 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 散货船的损伤 第一章绪论 散货船在世界航运界扮演着十分重要的角色，终日航行在大洋大海中的散货 船将各种各样的货物( 如矿石、谷物、钢铁产品等) 运送至世界各地。散货船的 尺寸从2 0 0 0 0 载重吨的灵便型到大灵便型、巴拿马型、好望角型甚至3 0 0 0 0 0 吨 的超大型散货船等应有尽有。 目前绝大多数散货船为单壳结构，根据多年的散货船事故统计显示，在舱口 盖、管系、甲板、舷侧外板、船底结构等诸多损伤中，单壳散货船的舷侧外板事 故率是最高的。 分析其中的原因主要有三点：第，从船体构造上看，相对于上下边舱的三 角形框架结构，散货船的舷侧结构是薄弱环节，在满载状态下，尤其对重载货舱 的舷侧结构受到了货物下沉的拉力和外板水压的双重作用。第二，载货状态下舷 侧与货物直接接触产生的加速腐蚀。第三，装卸货物及清理舷侧中残留货物时的 机械损伤。为了有效解决散货船船体结构和营运过程中出现的这些问题，提高散 货船，尤其是高龄散货船的使用安全性，散货船的双壳化日渐提上了国际海事界 的议事日程。 注；小型船( 小灵便型，大灵便型) ( 小丁5 0 0 0 0 d w t ) ；巴拿马型( 5 0 0 0 0 - - - 7 0 0 0 0 d w t ) ： 好望角型( 1 5 0 0 0 0 - - 1 7 0 0 0 0 d w t ) 。 据报道，1 9 8 0 年到9 0 年代中期已有不止1 5 0 艘散货船失事，造成至少 1 2 0 0 人丧生。为全面评估散货船的各种风险，下面对各种散货船意外事故 的历史资料进行统计分析，并与其它船型事故的分析结论进行比较。 以下数据主要来自劳氏海事信息服务( l m i s ) 海损数据库，统计资料 截止到1 9 9 9 年4 月i l 、2 j 。其中资料的统计范围主要是载重量大于2 万吨的 标准单壳结构的散货船，但部分海损事故数据中也包含了一定数量的双壳 散货船。 据统计，导致生命财产损失的散货船海难事故中有大约7 0 由以下情 况造成： 1 ) 舷侧板失效而进水； 2 ) 舱口盖和舱口围板失效而进水： 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 3 ) 艏部进水。 下列各表列出了从1 9 7 8 至1 9 9 8 年间各种不同情况对风险的影响，并 预测了这些情况对于现有散货船( 即造于国际船级社联合会( i a c s ) 统一要 求( u r ) s 2 l 和海上人命安全公约( s o l a s ) 第十二章旋行之前的散货船) 以及 新造船舶目前的风险影响。需要说明的是，表中的数据是这2 0 年间平均每 船每年的数据。“潜在生命损失”是指每船每年预计的生命损失数量。 表1 11 9 7 8 1 9 9 8 年问进水的各种情况对于风险的影响 潜在生命损失( p l l )经济损失( 美元$ ) 所有发生进水情况的 0 0 1 1 53 3 0 0 0 总和 舷侧板失效进水 0 0 0 7 7 72 8 4 0 0 舱盖失效进水 0 0 0 3 3 43 9 0 0 艏部进水 0 ，0 0 0 5 9 81 5 0 0 表1 2 进水情况对于现有散货船目前的风险影响 潜在风险损失( p l l )经济损失( 美元$ ) 所有发生进水情况的 0 0 0 8 52 7 l o o 总和 舷侧板失效进水 0 0 0 4 92 0 4 0 0 舱盖失效进水0 0 0 2 6 3 l o o 艏部进水 0 0 0 0 4 71 1 0 0 表1 3 迸水情况对于新造船舶目前的风险影响 潜在风险损失( p l l )经济损失( 美元$ ) 所有发生进水情况的 0 0 0 3 81 8 3 0 0 总和 舷侧板失效进水 0 0 0 2 21 4 7 0 0 舱盖失效进水0 0 0 0 4 38 0 0 艏部进水0 0 0 0 0 7 78 0 0 应该注意到的是三种进水情况风险影响之和并不等于所有发生进水情 况的总和。其主要原因是有些海难事故是由几种情况共同造成的。例如， 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 有些由艏部进水和舱盖失效共同造成的事故可能因为采取了某些措施而得 以避免，如在艏部刚刚进水时采取一定方法加以控制，以及采取某些措施 防止舱盖迸一步破坏。 根据劳氏海事信息服务( l m i s ) 海事数据库显示，对于载重量大于2 万吨的散货船( 指装载干货的散货船) ，自1 9 7 8 至1 9 9 8 年共发生3 0 5 8 起 海难事故，其中9 7 8 起记录为“非严重事故”，另外2 0 8 0 起为“严重事故”。 在9 7 8 起“非严重事故”中有9 起经证实具有生命伤亡。为简单起见，将 这9 起归为“严重事故”，因此，对于载重量大于2 万吨的船舶，记录的严 重事故为2 0 8 9 起，非严重事故为9 6 9 起。其中2 4 8 起严重海难造成的后果 是完全损失。 在图1 1 中显示出每年海难事故的数量。根据一般的预期，“非严重” 事件的数量应该大大多于“严重”事件。但这与图中所显示的情况不符， 图中“非严重”海难的次数反而低于“严重”海难事故数。由此可见，散 货船发生海难时绝大部分都是“严重”事故。值得一提的是，这些事故会 造成重大生命损失，这就是说，散货船发生海难的后果比其他船型严重。 海 上 事 故 数 不o p 窖$ 擎誉毋擎$ 年份 图l 一1l m i s 海事数据库中记录的每年非严重与严重事故数 每年散货船的总数在表1 4 中有详细说明，对应的事故数据如上图所 船鄹鹌o 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表1 - 4 载重量大于2 0 ，0 0 0 d w t 的散货船数量 大于2 0 ，0 0 0 d w t大于2 0 ，0 0 0 d w t 年份年份 散货船数量散货船数量 1 9 7 82 ，5 0 0 * 1 9 8 93 5 2 l 1 9 7 9 2 ，5 0 0 * 1 9 9 0 3 ，6 1 8 1 9 8 0 2 ，7 0 5 1 9 9 13 ，6 5 0 1 9 8 l2 。8 7 51 9 9 23 。6 8 5 1 9 8 23 ，0 9 21 9 9 3 3 7 3 0 1 9 8 33 2 5 11 9 9 43 8 5 3 1 9 8 4 3 ，5 4 7 1 9 9 5 4 ，0 0 7 1 9 8 5 3 ，7 4 3 1 9 9 6 4 ，1 8 6 1 9 8 63 7 4 31 9 9 7 4 2 0 0 * 1 9 8 73 5 5 61 9 9 8 4 ，2 0 0 + 1 9 7 8 19 8 8 3 4 5 47 3 6 0 0 1 9 9 8 来源：劳氏船舶登记局 + ：没有这些年份的可靠数据，表中为估算数据 普遍认为在许多散货船失事的案例中，导致灾难发生的直接原因是结 构设计不合理。这就体现了结构可靠性在这种船型的安全性评估中的重要 性。 经观察发现，大部分研究跟在完整状态、破损状态及被淹没状态下的 散货船的结构可靠性和强度有关。近来，其它研究证实船体梁折断问题与 现存单壳散货船船体粱的可靠性有关。 1 2 散货船的双壳化3 】 鉴于上世纪9 0 年代以来不断发生的大型老龄散货船重大海难事故，为了提 高船舶安全性能，减少船舶事故的发生，国际船级社联合会( 1 a c s ) 和国际海事组 织( 1 m o ) 等先后颁布了许多有关改善散货船强度及安全的公约和规范。如增强货 舱肋板的u r s | 2 、增强散货船一舱破损后总纵强度的u r s l 7 、加强横舱壁的 u r s l 8 u r s l 9 、统一散货船船级符号和设计载荷的u r s 2 5 等等。近来，散货船 的双壳化又是一项重大改进措施。 天律大学硕士学位论文 第一章绪论 虽然关于双壳散货船的各项技术要求目前仍然在不断完善和明确中，但双重 船壳的设计思想在船舶设计中并非首次出现。为了减少油轮因为碰撞或触礁等引 起的漏油事故，油轮双壳化已在上世纪9 0 年代强制实施，单壳油轮正在加速退 出世界航运市场。基于上文的分析可知，对散货船而言，双壳化的出发点是为了 增强船舶舷侧结构抵御货物相关的腐蚀及机械损伤的能力，同时，防止船体外壳 破损后货舱进一步进水。此外，双壳散货船对节约在港卸货时间和货舱清理时间 以及货舱维护费用等同样有着显著的优势。 进行双壳散货船设计或将单壳散货船双壳化过程中，都将面临如下几方面的 问题。 1 ) 选择双壳的结构形式： 一般来说，散货船双壳的结构形式主要有纵骨架式和横骨架式两种。当然也 有一种混合骨架形式，即将前两种不同的骨架形式分别运用在内外壳上。无论何 种结构形式，为了保证必要的强度和安全通道的布置，水平桁材及垂直强肋板在 双壳的结构中都必不可少。 纵骨架形式常见于双壳油轮的设计中，其纵骨的疲劳强度问题以及由纵骨传 递外板压力至垂直强肋板形成的剪力等问题，在纵骨架式的双壳散货船设计中都 是需要注意的。横骨架式双壳的优点是各肋骨能将外板压力均匀传递至上下边舱 从而避开了产生承受过大剪力的构件，其缺点是分段划分后会产生过长的现场对 接焊缝，从而引起构件数量增加。因此实船设计中具体采用何种结构形式，还要 对各种形式进行分析对比，根据构件重量、构件数量、焊接长度、制造工艺等各 方面因素综合考虑确定。 2 ) 确定双壳的宽度： 7 7 次海安会f m s c ) 明确了双壳散货船双壳构造的最小宽度要求，即无论何种 形式的双壳结构其内外壁间的宽度不得小于l 米；对于横骨架式的双壳结构，其 强肋板上开孔最小净空间不得小于6 0 0 毫米；对于纵骨架式的双壳结构，其纵骨 间的最小空间不得小于8 0 0 毫米，在船首尾部及个别不连续的舾装件或纵骨端部 肘板等处可以放宽到6 0 0 毫米。 上述的规定出发点是保证双壳结构的强度以及检验和检修时交通的可行性。 在设计双壳散货船时必须根据散货船的总尺度，并综合考虑货舱和压载舱容积及 双壳的结构形式及其内部的通行要求等来具体确定一个适宜的双壳宽度。 对于大灵便型散货船，若取1 3 米的宽度双壳化后货舱舱容损失率不到5 。 船型越大，同样的双壳宽度引起的舱容损失越小。 天滓大学硕士学位论文 第一章绪论 3 ) 确定双壳区划的功能： 将双壳区划作为压载水舱或空区划是常见的两种不同设计思路。如果将双壳 区划作为空区划，其优点是可以降低区划内的涂装防腐费用，但其缺点也显而易 见，需要为其单独增加测深、通风等辅助舾装件。如果将双壳区划作为压载水舱， 则通过此压载舱可以将上下边舱相通或相隔，从而省去了某些船东不喜欢的单壳 散货船上下边舱的连接通道。同时，如果总压载量满足重压载条件，则可以取消 将货舱兼作压载水舱的设计。由此，货舱压载相关的货舱局部补强、货舱特殊涂 装要求、前后横舱壁的特殊结构设计、货舱压载相关的舾装设计等都可以大大简 化或者取消。此外，对于取消货舱兼作压载水舱引起的在港干舷过高从而影响部 分港口的货物装载问题，可以通过设计仅在港口使用压载货舱等方法解决。 1 3 双壳船与常规单壳船的比较 双壳概念的引入给散货船在结构强度和使用维护等方面无疑带来了很多好 处，但双舷侧的引入将在一定程度上增加船体的结构重量，并且减少了部分装载 空间。双壳敖货船与常规单壳散货船相比有如下优缺点【，见表1 - 5 ： 双壳散货船单壳散货船 优点： 将双壳作为压载水舱后可以省去将某优点：货舱舱容最大化 性能配置些货舱兼用压载水舱相关的设计 缺点： 缺点：需要货舱兼作压载水舱 减少货舱舱容( 大灵便型损失小于5 、 优点： 增强舷侧结构强度，改善营运中的受 优点： 力条件；增强船舶抵御货物相关的腐一个货舱进水仍然具有 强度蚀及机械损伤的能力；防止船体外壳储备强度和浮力 破损后货舱进一步进水 缺点： 缺点：舷侧结构损伤率最高 增加空船重量，减少载重吨 天津大学硕士学位论文第一章绪论 优点： 优点： 节约在港卸货时间和货舱清理时间； 结构简单，维护修理方 使用维护节约货舱维护费用 便 缺点： 缺点： 需要专用检修通道 增加造船一次性投入 经常需要维护和检修 可见，如上所述，与单壳散货船相比，双壳散货船在更加趋于安全的同时， 也具有设计和使用上的经济性。可以预见，随着规范的不断完善，不久的将来， 散货船的双壳化也将同散货船其他一系列加强措施一样生效并强制实施。目前， 船厂、船级社、船东等各方都在密切关注着散货船的双壳化进程并积极做着各方 面的准备。 1 4 现行公约对散货船的规定 国际海事组织( i m 0 ) 船舶设计与设备分委会( d e ) 第4 7 次会议于2 0 0 4 年2 月2 5 日至3 月5 日在伦敦i m o 总部召开，会上散货船安全问题仍是讨论的焦点。 在讨论有关强制执行双壳散货船问题时，i c s 提出目前没有证据表明双舷侧 比现有单舷侧安全，因此双舷侧不应作为强制要求，而只应该在s o l a s 第x i i 章给出基本要求，这样可以使双舷侧和单舷侧并行发展，以便得到更充分的比较 结果。希腊对强制推行双舷侧散货船的正确性也表示怀疑，并称将向m s c7 8 提交研究报告。 虽然有关散货船安全问题的争论非常激烈，分委会还是完成了s o l a s 公约 第x i i 章有关散货船安全附加措施、第1 i - l 章3 - 6 条有关检验通道要求的修工f 草稿，重点是对船长大于1 5 0 m 、载货比重1 ，0 0 0 k g m 3 以上散货船强制采用双舷 侧结构，以及禁止单舷侧散货船隔舱装载等问题。 新的s o l a s 第x i i 章修正案草案将提交m s c 7 8 审议批准。草案对“单舷侧 散货船”做了定义，根据新的定义，对一个或多个货舱具有两道水密边界( 其一 为舷侧壳板) 的散货船，如果是2 0 0 0 年1 月1 日之前建造的，两道水密边界间 距不足7 6 0 m m 的，或者是2 0 0 0 年1 月1 日及之后建造的，但两道水密边界间距 不足1 0 0 0 m m 的，都将被看作单舷侧散货船。 根据s o l a s 第x i i 章修正草案，船长为1 5 0 m 及以上，载货密度为1 ，0 0 0 k g m 3 及以上的散货船的整个货舱区域必须强制设置双舷侧，加强构件应设在双舷侧 天津大学硕士学位论文第一章绪论 优点： 优点： 节约在港卸货时问和货舱清理时间： 结构简单，维护修理方 使用维护节约货舱维护费用 便 缺点： 缺点： 需要专用检修通道 增加造船一次性投入 经常需要维护和检修 可见，如上所述，与单壳散货船相比，双壳散货船在更加趋于安全的同时， 也具有设计和使用上的经济性。可咀预见，随着规范的不断完善，不久的将来， 散货船的双壳化也将同散货船其他一系列加强措施一样生效并强制实施。目甜， 船厂、船级社、船东等各方都在密切关注着散货船的双壳化进程并积极做着各方 面的准备。 1 4 现行公约对散货船的规定 国际海事组织( i m 0 3 船舶设计与设备分委会( d e ) 第4 7 次会议于2 0 0 4 年2 月2 5 日至3 月5 日在伦敦i m o 总部召开，会上散货船安全问题仍是讨论的焦点。 在讨论有关强制执行双壳散货船问题时，i c s 提出目前没有证据表明双舷侧 比现有单舷侧安全，因此双舷侧不应作为强制要求，而只应该在s o l a s 第x i i 章给出基本要求，这样可以使双舷侧和单舷侧并行发展，以便得到更充分的比较 结果。希腊对强制推行双舷侧散货船的正确性也表示怀疑，并称将向m s c7 8 提交研究报告。 虽然有关散货船安全问题的争论非常激烈，分委会还是完成了s o l a s 公约 第x i i 章有关散货船安全附加措施、第1 i - 1 章3 - 6 条有关检验通道要求的修诈 草稿，重点是对船长大于1 5 0 m 、载货比重1 ，0 0 0 k g m 3 以l 散货船强制采用双舷 侧结构，以及禁止单舷侧散货船隔舱装载等问题。 新的s o l k s 第x i i 章修正案草案将提交m 8 c 7 8 审议批准。草案对“单舷侧 散货船”做了定义，根据新的定义，对一个或多个货舱具有两道水密边界( 其一 为舷侧壳板) 的散货船，如果是2 0 0 0 年1 月1 日之前建造的，两道水密边界间 距不足7 6 0 m m 的，或者足2 0 0 0 年1 月1 日及之后建造的，但两道水密边界间距 不足1 0 0 0 m m 的，都将被看作单舷侧散货船。 根捕s o l a s 第x i i 章修正草案，船长为1 5 0 m 及以p ，载货密度为1 0 0 0 k g m 3 及以上的散货船的整个货舱区域必须强制设置双舷侧，加强构件应设在双舷侧 及以上的散货船的整个货舱区域必须强制设置双舷侧，加强构件应设在双舷侧 天津大学硕士学位论文第一章绪论 内，不能设在货舱内，且双舷侧内不可载货。另外，双舷侧处所还要满足s o l a s 公约有关海水压载舱的防腐要求及其强制引用的涂层性能标准( 待制定) 的要求， 双舷侧内外侧板间距( 沿外壳垂向) 至少为1 0 0 0 m m ，并应按s o l a s 有关要求 设置检验通道。 备受关注的任意货舱空载航行限制的条款也在s o l a s 第x i i 章修正草案中 初露端倪，要求对1 9 9 9 年7 月1 日前建造的船长为1 5 0 m 及以上的单舷侧散货 船，在其船龄达到1 0 年后，如果不满足s o l a s 公约有关散货船的结构强度要 求及i m o 正在制定的两个结构标准( 即：单舷侧散货船舷侧结构标准和未按前 述标准建造的单舷侧结构散货船肋骨及肘板的换新标准，这两个标准分别由i a c $ 的统一要求s 1 2 和$ 3 1 转化而来) ，那么当这些散货船满载装载密度为1 7 8 0 k g m 3 以上货物时，不允许任何货舱的载货量小于该舱额定载货量的l o ，即所谓的空 载装载。但该条款将仅适用于现有单舷侧散货船，对现有双舷侧散货船，即使其 未按照双舷侧结构新要求建造，也可不适用该禁止措施。 s o l a s 公约x l i 章修正草案还对双舷侧散货船净宽、散货船舱口盖船东维护及 检查、1 5 0 m 以下的新造散货船装载仪的配备、货舱，压载舱和干舱水位报警、 泵系的有效性等作了修改，明确规定水位报警及泵系的有效性要求适用于所有散 货船。 天津大学硕士学位论文 第二章船体粱强度评估 2 1 概要 第二章船体梁强度评估 理论和实践都证明，船体梁总纵弯曲破坏是影响船舶安全的主要破坏模式。 船体梁发生总纵弯曲时，在其横剖面上既因弯矩作用产生正应力，同时也因剪力 作用产生剪应力。对于弯曲难应力盯，采用简单梁理论即可给出满意的结果；对 于剪应力r ，传统上也采用材料力学公式f = ( q m ) f ) 计算。其中q 为剖面剪 应力；为剖面对中和轴的惯性矩；掰为求剪应力一侧剖面积对中和轴的静力矩； ，为求剪应力点板的总厚度。然而该公式只对开式剖面适用，对于具有双层底、 双舷侧的现代油轮或散货船结构( 其剖面一般包含多个闭室) ，则不能给出精确 解。 本文将分别对“漫海”号散货船双壳改造前后的两种结构形式进行强度计算， 并比较改造前后强度的变化。对于弯曲正应力的计算，文献 5 】已经用简单梁理 论给出了满意的结果，因此本章主要对单双壳散货船的剪切强度进行研究。 关于具有多闭室剖面的剪应力计算，主要有以下两种算法： 1 ) 剪力流法：引入剪力流的概念，通过考虑平衡来计算由横向载荷引起的 剪应力。该方法需要详细地考虑剖面的连接方法及剪力流的形式，即在各闭室上 的流向，在分支点分流的方式等。 2 ) 翘曲法：应用翘曲( w a r p i n g ) 理论，利用有限元模型计算剪应力的分布。 这种方法具有较好的实用性，尤其适于在计算机上计算。 本章将简要介绍以上两种方法的主要计算原理，并运用剪力流法分别对“漫 海”号散货船改造前后进行剪切强度的计算。 2 2 翘曲法的计算原理【6 当由横向剪切存在时，剖面平面会产生超出平面的翘曲变形，若存在扭转， 剖面也会产生翘曲。但这两种翘曲由于形成原因不同而有区别，且当受到约束时 两者发生相互作用。对于散货船舷侧结构，横向剪切起主导作用，故本文只考虑 由横向剪切引起的翘曲【7 ”。 对于不受扭转的等直梁，剖面的剪应变只是翘曲的导数 天津大学硕士学位论文 第二章船体梁强度评估 ，。= 抛印，。= 8 u l o z 在薄壁梁中，利用剖面上的弧长坐标更为方便。于是 v = a h i8 s 引入翘曲函数 c o ( s ，x ) = 国。( s ) q ( x ) 将整个剖面离散成若干直线单元，假定单元上国口呈线性分布 r a y l e i g h r i t z 原理可求得各节点处的脚。值，从而可得到剪应力的分布。 翘曲方程的建立： 如图2 - 1 ，对船体中长为工分段进行研究，设 q ( x ) = q a ( 1 + q o c l l ) 其中：q ( x ) 为任意剖面的剪力值，q 。为a 剖面的剪力值 9 = ，l q a x b l 图2 - 1 横向剪切引起的翘曲 其中：厂，为作用在分段上的均布载荷。将( 2 4 ) 带入( 2 - 3 ) 得 u ( s ，x ) = 国d ( s ) 9 ( 1 十c z c l l ) 设每个单元的翘曲函数为 国。0 ) = 。+ ( 国。一。) s b 。 其中：6 为单元板宽。则单元位能可表示成： u 。= 孚fn 加，瑚2 d s d x 整个剖面位能为： u=芝。：_l1渤2皿兰r(等等)2tdsu d s u = 。= i l 。g g 三r ( = 学) e = i 上 0 = lu ， 其中： c e = 1 + 妒+ 妒2 3 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 根据 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ；誓 天津大学硕士学位论文 第二章船体梁强度评估 t ，为单元的相当板厚。 翘曲引起的载荷所作的功为： 彬= i u ( s ，x ) d f 积；罢t d _ x d s - - - 掣z t 。d x d s 其中，为剖面惯性矩：z 为所考虑点到中和轴的距离。 m 1 m w = 彬= - l 1g 奶2 上f 。r ( m ；+ ( 国占一c o 刍) b 。s ) z ( s ) d s 其中：z ( s ) = 乙+ s s i n a t 。 忽略扭转约束作的功，则系统势能为： 由粤：o o ( o n = u w i = 1 ，m 得翘曲方程： 其中：w 为剖面翘曲阵；p 为外力向量。单元翘曲矩阵： 。伯。j ! ，i l j 蜘懒量 钙i t 。啦毖盖慧。7 褂 剖面剪应力分布： 由式( 2 1 7 ) 求得各节点处的埘，值，则单元剪应力的平均值为： r 。= g o u o s = g q 。( 国刍一曲占) i b 。 考虑到单元剪应力呈线性或抛物线分靠，则单元剪应力分布为： r = z c + r ：( s ) 其中： 分弘c 卜争半一铷 f j ( j ) 中s 轴指向剪应力增大方向为正。 2 3 剪力流法计算剪应力 2 3 1 剪力流法的主要计算原理【9 】 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 一1 8 ) ( 2 一1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 船体在总纵弯曲时，在横剖面上除存在弯曲应力外，还由于剪力的作用而产 生剪应力。对于像船体这样的薄壁结构，确定剪应力在其剖面上的分布，对合理 天津大学硕士学位论文 第二章船体粱强度评估 决定板厚也是十分重要的。总纵弯曲时，最大剪力一般作用在距首尾端四分之一 船长附近的翻面上，因此需校核这些剖面船体构件承受剪应力的强度和稳定性。 由于船体结构是左右对称的，计算剪应力时只考虑半个剖面就可以了，下面 简要介绍一下利用剪力流法计算船体剖面剪应力的计算原理及过程。 在计算剪应力时一种有效的方法是“剪力流”概念的引入。用q 表示剪力流 的大小，则q = f t 。引入剪力流概念的一个显著的优点是在板厚发生局部变化 时，剪力流不会像剪应力一样在该处发生突变，另外，使用“剪流”概念，能保 证在剖面上任何连接点或支路上，所有流进的剪流等于流出的剪流( 即剪流连续 定律) ，这与封闭管予中理想流体的流动有着相似之处。 根据基本梁理论可知：q = 笔f y , d s 一 令啪：p f 出则公式可简写为：q = 毕 ” 其中y 为力臂，s 为积分段的弧长。 由于o 与l 在整个剖面中为常量，因此剪力流与静矩的分布是相同的，即q 与m 成正比i 对于多闭室剖面，剪力流的求解则属于超静定问题，需要引入附加的几何条 件进行求解，这就需要： ( 1 ) 消除足够数目的约束，使问题转化成静定问题： ( 2 ) 在解除约束的点，加入几何条件。 如图2 - 2 所示的理想化油船结构，在b 点加一个纵向的断面，这就使该船体 梁的半剖面转化为包括三个分支点的开式剖面，a b e ，b c d e 和f e ，每个分支在 端点处剪力流为零。一般来说具有几个闭室就需要加入几个断面。现在就可以运 用以上方法计算m 值，进而求得剪力流大小。这里用m + 表示加入假想断面后静 矩m 的值。相应的剪力流用q 表示：g ( s ) = 导棚( s ) abc 二二= 二j _ ! 二三二三_ l 二二，= 一一 初始剪力流常剪流 图2 2 理想化油船结构 当。 _三一 天津大学硕士学位论文 第二章船体粱强度评估 这里研究的是剪力合力通过剖面弯曲中心的问题。 无扭转变形，剖面上任一点的剪切应变为： 8 u 尸_ 甜 此时，剖面只有弯矩，而 ( 2 2 2 ) 式中：u 一轴向位移。 因此，对于封闭剖面的剪切变形积分一周应等于零，即： 扣= o ( 2 2 3 ) 这意味着，虽然剖面因为剪切应力的作用而发生变形，但仍作为一个闭环而连接 为一个整体。换句话说，若在任选原点处将船体梁纵向切开，则在切开处两侧纵 向剖面上必须施加大小相等、方向相反的剪流吼，以保证切口剖面不发生纵向 滑移。因为纵向剪切应变从切i z l 的一边沿剖面积分一周到切口的另一边，正好等 于剖面切口的纵向滑移，即： s l i p = 舾= 吉舾= 石1 班2 0 ( 2 2 4 ) 式中：g 一剪切弹性模量。 利用该变形协调条件，则可确定所施加的未知剪力流。 为计算多闭室剖面的剪应力要对每一个闭室选定一个计算 n o ( j ) 的原点和根 据变形协调条件确定相应的未知剪流g ? ，也就是将每一个闭室人为地纵向切开， 从而把船体梁的半剖面变成具有若干支路的开式剖面。 由于每一个人为开口端的非零剪流q ? ，都在对应于该支路的原闭室剖面上引 起常量剪流分量玑，所以第i 闭室剖面上的总剪流辱，的平衡条件应为： ，= g ? + 吼+ q 。( f = 1 , 2 ，n ) ( 2 - 2 5 ) 式中：g ? ：望氅盟一第f 闭室按开式剖面计算的剪流分量，即静定剪流； g ，一第i 闭室上的常剪流分量。 吼，一与第i 闭室相邻的第闭室上的常剪流分量，仅在公共壁上计及； 对每一闭室列出变形协调式( 2 - 2 4 ) ，即： 铲= 0d = 1 , 2 ，疗) ( 2 2 6 ) ，? r 将式( 2 - 2 5 ) 代入上式中可得： 蜉出+ 妻肇= 一殍西( f = 1 扣- 一 f，= lr ，i 式中：i 表示沿两相邻闭室f ，的公共壁积分。 在利用上述公式进行计算时，要注意下面的符号规定： 天津大学硕士学位论文 第二章船体梁强度评估 ( 1 ) 研o ( s ) 的计算：切口位置确定后，计算面积矩m o ( s ) 的积分，从该切口 开始，沿每一个分路分段进行。计算时假定z 坐标轴向上为正。 ( 2 ) g 的方向：若开始假定常剪流g 。沿所在闭室的顺时针方向作用，则最 后计算出的g 。为负值，表明它在该闭室中是沿逆时针方向的。 在实用上，这类的闭室结构的剪应力也往往采用近似公式进行计算。通常 假定同一水平线上点的剪应力相等： f ：堕( 2 2 7 ) i i 式中：q 一剖面剪应力； ，一剖面对中和轴的惯性矩； s 一求剪应力一侧剖面积对中和轴的静力矩； f 一求剪应力点板的总厚度。 但使用该近似公式对舷侧进行剪应力计算，结果偏于保守。对舷侧外板按公 式( 2 2 7 ) 求得的近似值一般较精确计算值高1 0 。 对于散货船结构，上下边舱，双舷侧部分，以及双层底内的每相邻两个纵桁 之间，都形成闭室，需要将每个闭室人为加入一个断面，使整个船体梁剖面成为 开式剖面如图2 3 所示： r 、 二二= = 二：、 i l 。 ， 、 1 l、三三二_ = = 三车：卜j 一 】_tr il r i ?口l f ，f 一一：一 l 一一一一一一一 p 一= 二二= 七： f f l 1 ， ， 一 l f f 、7 1 i j o一 r p 1 、h 一j 二二兰= 一 一 1fq ，、 。 “j 【“ ，7 r 7 7 r 芰二= _ 一 一一一一一 图2 3 典型多闭室剖面的剪力流( 散货船) 下面将以“漫海”号散货船为例，运用剪力流法对单双壳情况分别进行剪应 力的计算，并比较单双壳体散货船舷侧的剪应力。 天津大学硕士学位论文 第二章船体梁强度评估 2 3 2 双壳散货船剪应力计算 由文献【5 可知，该船最大剪应力出现在7 5 站处，但因该船的平行中体较长， 2 、3 、4 号舱都涵盖在内，所以7 5 站虽处于2 号舱，仍可利用三号舱横剖面进 行计算( 三号舱位于船中附近) 。双壳散货船中横剖面简图如图2 _ 4 所示： j i 夕? 7 焉丁i 呵丁一，吖：了1 7l l 芏上1 2 ：j _ j 。 ：j ， 图2 - 4 双壳散货船横剖面简图 根据上述方法，将剖面在每一个闭室切开，各闭室切开点的位置见下面的计 算简图。计算仅对半个剖面进行，如图2 - 5 共有7 个闭室，计算时先假定呈：1 。 1 ) m o o ) 的计算 为适应计算机程序编制，每一闭室切口后在各支路上的静矩m 。( s ) 可按下式 计算： ，+ 埘j + 1 0 ( s ) = m o ( j ) + 尘半生( z + z 川) 式中：m o 。( j ) 一从切口到计算点+ 1 的剖面积对中和轴的静矩； m ? ( s ) 一从切口到计算点，的剖面积对中和轴的静矩； i y , s + l 一从点_ ，到点，+ 1 支路的距离； ，。+ 。一从点_ ，到点，+ 1 支路的板厚： z ，一点，的垂向坐标； zj t 】一点，+ l 的垂向坐标。 天津大学硕士学位论文 第二章船体梁强度评估 _ 1 q 8 1 撑 ， 曲 2 、1 2 拌 3 1 6 l 一 、 爱每 一酗旷、l 1 5 1 41 31 2 1 1 3 撑、74 社 5 牟 s 一霉，撑 、 5 2 4 9 6 卜3 3 2 7 3 3 2 ，2 4 992 4 9 j 图2 - 5 双壳散货船剪应力计算简图 进一步，以“，d ，角标分别表示节点的上、下、左、右，可得1 # 闭室各节 点的m o ( s ) ： 肌；。：o + l h , 2 t l , 2 ( z 。+ z ：) 一 2 0 ，2 m 2 0 。 肌3 ，：埘2 0 ，+ 1 2 , 1 7 t 2 , 1 7 ( z 2 + 毛7 ) m 品，。= 聊：，+ 珊0 。( 由下一闭室求得) _ i ，2 品，= 聊：，。+ 去，i8 7 坤( z 1 ，+ z 1 8 ) m o ， 2 m o j 捌品，。= 肌，。+ 去。1 1 9 ( 毛。+ z 。) m o ，。= 棚0 ， m o ，d = m o p + = 1 ，1 8 ，1 9 h 1 9 ( z l g + z 1 9 ) 研品，= 嘛。 墨望奎兰堡主兰篁笙苎 笙三主塑竺鲨里垦! 兰笪 肼? ，= 所品，+ 2 # 闭室各节点的肌o ( s ) ： m ，o 。= 1 1 2 , 3 t 2 , 3 ( z 2 + z 3 ) m 3 0 。r = 珊3 0 ，” m f ：嵋，+ 1 1 s ：6 t s ：6 ( 毛+ 2 1 6 ) , n o 。= m 曼，+ 朋是，d ( 由下一闭室求得) m 品。= m 。+ 去，j ，( z ，s + z ”) 肌0 j = m 0 一 m ；，= m 品，f + 去，。7 。2 r i ，。2 ( z 。，+ z 2 ) 2 ) # 塑出的计算 jt 对于各支路上的积分f “型也可以用节点，和，+ 1 的坐标表示，如下 式： m 。，( s ) d s = 兽卜0 业6 ( 2 矿 ， f ，+ ll 。 对于所有闭室均可按此式求得。 7 聊o ( j ) ， 二2 础十 ， f 8 壁盟出 , 1 7 f 待+ p 斫出 沁仍、 # 0 一 m 一 卫一，m塑，俨告 闭r 妇硼吖坛 咿匕吣婚 j h 一 醐一 攀产产 冲 匿9_广 ： j 啪 蝎 砬 亿 ： 盟。 ，卜 - 塑立 k 0 | | = 出 凼 华华 r 5 p h 警警 盘立 蛐 叫 刮 出 出 华华 p k e 天津大学硕士学位论文 第二章船体梁强度评估 3 ) 燹彤协调万程式 a ：j 字一圭吼，辟j 譬出 闭室i ，；l f j 闭室j 对每一个闭室列出如上变形协调方程