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化学品船结构优化设计 摘要 眦学品船是一种高附加值、高技术含量的船型。分析其结构特点， 提出优化设计的指导性意见，对于我国船舶工业的发展有着重要的经 济意义和学术意义。卜丁一 ， 本文介绍了化学品船的设计规范和结构特点，论述了船型及结构 设计的特殊性和主要原则。利用挪威船级社的s e s a m 程序，对某第 四代化学品船的2 0 舱和4 0 舱布置方案建立了相应的详细有限元模 型，计算得到了各种复杂工况下的变形图和应力分布彩图。利用这些 计算结果，分析、总结了化学品船局部结构在常规工况和温度应力工 况下的应力分布特点，提出了结构优化设计建议。通过有限元计算发 现，槽型舱壁及其周围相关结构是高应力和应力集中区域，特别是水 平槽型舱壁。本文对影响水平槽型舱壁应力水平的因素做了讨论，并 给出了优化设计建议。为了更方便地估算槽型舱壁的应力水平，本文 厂 还提出了一个简化计算方法，推导了相应的计算公式。f 该方法的计算 ? i 结果与有限元法计算结果较为符合! ，1 关键词： 化学品船，舱段应力，槽型舱壁，简化计算方法，优化设计 s t r u c 瓜a i ，o p t i m i z a t i o n o f1 h ec h e m i c a ls h i p a b s t r a c t t h ec h e m i c a l s h i p i sah i g h - p r o f i ta n dh i g h - t e e hk i n do fs h i p t h e r ei s ag r e a t e c o n o m i c a la n dl e a r n i n gm e a n i n gi n a n a l y z i n gt h i s k i n do f s h i p ss p e c i a l t i e sa n d p r o v i d i n gt h eg u i d a n c et o s t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s e s h i p p i n gi n d u s t r y ni si n t r o d u c e da b o u tr e l a t i v er u l e so ft h ec h e m i c a ls h i p ss t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n d i t ss p e c i a l t i e s p r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e s i g n i n go ft h ec h e m i c a ls h i pa r e a l s od e s c r i b e d a c c o r d i n gt ot h e2 0h o l d sp l a na n dt h e4 0h o l d sp l a n d e t a i l e df e m m o d e l sa r em a d e u s i n gs e s a md e v e l o p e db yd n v r e s u l t sa r ec a l c u l a t e do u ta b o u t d e f o r mp i c t u r e sa n ds t r e s sd i s t r i b u t i o np i c t u r e so f 血e s et w om o d e l su n d e rd i f f e r e n t k i n d so f w o r k i n gl o a d s b a s e do n t h e s er e s u l t s ，i ti sa n a l y z e da n ds u m m a r i z e da b o u t t h es t r e s sd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h e m i c a ls h i p ss t r u c t u r eu n d e rn o r m a l w o r k i n gl o a d sa n dt h e r m a lw o r k i n gl o a d s t h eg u i d a n c et os t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n d e s i g n i n gi sp r o v i d e d i tc a nb ei n d i c a t e d t h a tt h e c o r r u g a t e db u l k h e a da n di t s p e r i p h e r a ls l n l c 由l r ca a r e ao fh i g hs t r e s sa n d st r e s sc o n c e n t r a t i o n , e s p e c i a l l yt h e h o r i z o n t a lc o r r u g a t e db u l k h e a d i ti sd i s c u s s e da b o u tt h ef a c t o ri n f l u e n c i n gt h es t r e s s l e v e lo ft h eh o r i z o n t a l c o r r u g a t e d b u l k h e a da n dt h e g u i d a n c e t oi t ss t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o n t oe s t i m a t et h es t r e s sl e v e lo f t h ec o r r u g a t e db u l k h e a dc o n v e n i e n t l y , a s i m p l i f i e dc a l c u l a t i n g m e t h o di sp r o v i d e da n di t sr e l a t i n gf o r m u l a ea r ed e l i v e r e d ，t o o r e s u l t sg o t 、v i t h 出i sm e t h o dm a t c hr e s u l t sg o t 谢也f e m v e r y w e l l k e yw o r d s ： c h e m i c a l s h i p ，s t r e s sd i s t r i b u t i o n ，c o r r u g a t e db u l k h e a d ，s i m p l i f i e dc a l c u l a t i n g m e t h o d ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n i n g 第一章总述 1 1 研究意义 第一章总述 随着生产力的发展以及世界经济全球化特征的进一步显现，在世界范围内 运输生产原料、半成品和成品的需要也在逐步增加。化学品，包括沥青、木馏 油和硫磺等货物，需要大量地进行长途运输。在这些繁重的运输任务中，化学 品船起到了主力军的作用。 使用化学品船来运输这些货物，有时甚至是危险品，相对其他运输方式来 说，比如飞机运输，是最安全，也是最经济的。 化学品船运输的货物一般是液货，有些货物在运输过程中还需要保持一定 的温度以保证其本身的液态性质和安全、稳定的化学性质。这就要求运输工具 的结构不仅要具有足够的强度来抵抗液货产生的压力，还要有相应的结构余量 柬抵消高温液货使结构产生温度应力而带来的不利影响。由于船舶的尺度较其 他运输工具为大，这就使得对于化学品船来说，设计者可以有更大的余地对安 全性加以重点考虑。 化学品船可以同时装载若干种不同货物分送到不同目的地，经过必要的 沈舱后，再换装其他货物，执行新的运输任务。这就很好的满足了船东多种类、 小批量、多批次运输化学品的要求，有利于提高运输效率，降低运输成本。 由于化学品船能够满足这样一些特殊的运输要求，所以这种船型的结构特 点与一般散货船和油轮相比有着明显的差异，这将在下一节简要介绍。正是由 于化学品船的这些特殊结构特点，决定了它是一种高技术含量、高附加值的船 型。我国的造船工业要想在世界船舶市场占有更太的份额，就必须具备自行设 计、建造化学品船的能力。 对化学品船型进行技术开发的一个重要方面是结构的优化设计。目的是， 在达到结构材料选用合理、经济，保证船体结构强度符合安全性要求的前提下， 使得整船结构重量最轻，以降低建造成本，提高船舶营运效率。这对我国造船 工业以及航运事业的发展有着重要的经济意义。 由于化学品船的建造数量远小于散货船和油轮，造船界对这种船型的研究 和建造经验相对不足，我国对化学品船的结构研究成果也并不多见。大连造船 厂在首次建造4 6 力吨化学品船后，进一步研制了第三、四代化学品船积累 了较为丰富的实际经验。在此基础上，利用现代技术手段对化学品船的结构强 度特点进行深入的分析和认识，论证结构优化设计的重点和措施，对于进一步 提高我国化学品船的设计和建造水平有重要的学术意义。 本研究任务以大连造船厂第三、四代化学品船为研究对象，是国家十五重 点企业技术攻关项目的子专题之一。 1 2 结构特点 作为一种高技术含量的特种船舶，化学品船与散货船和油轮相比有着明显 第一章总述 不同的结构特点。 1 2 1 多分舱结构 为了满足船东多种类、小批量、多批次运输各种化学品的需要，化学品船 普遍采用了多分舱方案。最常见的是2 0 分舱方案，左、右两舷各有l o 个舱室。 为了满足特殊船东的需要，甚至出现了4 0 分舱方案，即在2 0 分舱方案的基础 上，左右两舷再各加一道水平槽型纵舱壁。由于化学品船的舱室较多，且装载 工况相对较为复杂，因此，对于纵、横舱壁的结构强度必须重点考虑。 1 2 , 2 槽型组合舱壁 因为化学品船经常要换装货物，所以对舱室清洗的方便性必须加以特殊考 虑。在这种情况下，普通船舶舱壁上的纵骨、加强筋和强横梁等结构成为了洗 舱的最大障碍。因此，化学品船普遍采用了槽型舱壁。在这种结构形式中，舱 壁腹板起到了抵抗弯矩的主要作用。但是槽型舱壁与普通舱壁相比，在抗弯能 力上有着先天的不足。这也是必须重点分析舱壁结构强度的一个重要原因。 在垂直槽舱壁与主船体的连接形式上常常采用上、下墩的结构。在上墩 与主甲板、舱壁及下墩与内底、舱壁的连接区域由于结构的不连续，可能会 出现应力集中现象。特别是下墩，由于受到液货压力和舱壁传导而来的应力的 双重作用，更会出现高应力现象。 出于同时使用槽型横舱壁、槽型纵舱壁，垂直槽型与水平槽型舱壁，在它 们的交接处需要采用恰当的连接方式。例如，垂直槽型纵、横舱壁采用空心方 柱连接，以减小舱壁受载荷作用而扭曲产生的应力。 1 2 3 甲板反装构架 化学品船还广泛采用了甲板龙骨反装、双壳结构等形式。 所有这些结构特点在图1 1 和图1 2 中有直观的说明。 2 一一描批篇工猕阜裟j 碱i - l 。 ；l 疼- 扩早衰 垂 ；i i 州 寻 每 差 ，1 、i l - j i ： _ 一- l 固 ： - | 鲜毒q晕一 _ i i ： jo 一弋 i： 蜊 埝脚篡：蔗 、j | ： 世 - 一 醇 注， i1 旷 - ， ：ittttt jtli ，黾， 争 i f 兰r 描ir 鼍 严飞 r , l _l i i i1： i i， 图1 1 化学品船典型蟥剖面结构囤 3 一一 一 善 一搬 ，呱，j -、 ij # 小鹫潞f i - _ r 撵址 jf - i 1l - 篓 4 驴l i l 荣i k ,i i 一- - _ _ i l 和i i ) 啊1 1 1 i - _l l l ” 1 早 0 一 ， 一- r ； l 下 _ h - - 二 1 、i j _ 一- 二- h 专 l 芦 毒 ，一、； - 一 卜一： i _ i _ _ l _ 一 _ _ l j f 一k ：f j 1 l 辨 m 户 “ i 一_ l j 讪i j p - j i圳谌t婪l! j 。 【叶l 。l - j【-t l l r ： 鄹烈ih l l 上 。_ 酣 l e 气：呵 r 公一1 、i i r 贼盼糊l ： l 渊b麓 1 ：防萋稍i 呐 l - 二二二1 - t _ t 一： t 。、二一 图1 2 化学品船典型横舱壁结构图 第一章总述 1 3 研究任务 由于化学品船的装载工况相当复杂，经常会出现隔舱装载的情况。这时纵、 横槽型舱壁及上、下墩都受到单侧液货压力作用，高应力现象将会广泛出现， 因此研究各舱段的整体应力分布特点是本文最主要的研究任务之一。在上、下 墩与舱壁、内底和主甲板的连接区，纵、横槽型舱壁的连接区，纵墩和横墩的 连接区，水平槽舱壁与垂直槽舱壁的连接区，底纵桁与横舱壁的连接区等结构 突然变化的区域，也可能会出现高应力现象，因此也必须研究其应力分布特点。 对于水平槽舱壁的单个槽来说，整个槽型舱壁所受的弯矩与单个槽翼板、腹板 所受局部弯矩相叠加，导致其工作条件更为恶劣，因此必须对单个槽的应力分 布特点加以研究。另外，由于化学品船经常装载高温液货，而船体又是双壳结 构，这样由内、外壳之间温差而产生的温度应力对于结构的影响也是不可忽视 的。所以本文将对温度应力作一简要分析。在讨论了所有这些高应力区的分布 特点后，本文还将相应提出改善其应力状况的指导性意见。 由于化学品船的结构形式比较复杂，对它的结构强度进行计算、研究时， 通常采用有限元方法。本文也是对某化学品船建立了详细的有限元模型，然后 利用计算机对它的结构强度进行分析的。有限元方法最大的缺点就是建立模型 时需要耗费大量时间。这对于结构设计人员来说很不利。显然，在设计阶段就 投入如此巨大的精力来计算结构强度往往受到经济开支与时间方面的限制。有 没有一套简化计算方法来估算结构强度，并且计算结果与有限元方法比较接近 呢? 本文将尝试提出这样一种方法来估算化学品船最重要的结构形式之一槽 型舱壁的结构强度。 1 4 取得的主要成果 1 4 1计算了第四代化学品船2 0 分舱方案结构应力详细分布情况，分析、总结 了应力分布特点。 1 4 2 计算了第四代化学品船4 0 分舱方案结构应力详细分靠情况，分析、总结 了应力分布特点。 1 4 3 探讨和研究了化学品船结构载荷组合，结构有限元模型化技术，液货压 力分布、结构应力分布和温度应力分布特点。 1 4 4 提出了垂直槽型舱壁和水平槽型舱壁等效应力的简化计算方法。利用该 方法得到的结果与有限元方法计算结果相当吻合。 1 4 5 提出水平槽型舱壁是化学品船结构设计的难点，探讨了水平槽型舱壁优 化设计方法。 1 4 6 提出了化学品船结构优化建议。 一 第二章化学品船结构设计特点 2 1 规范、规则 第二章化学品船结构设计特点 现在，控制化学品船设计和建造的最主要规范或规则是国际散装运输危 险化学品船舶构造和设备规则，简称i b c 规则。这个规则的主要目的是确保 化学品船设计、建造和设备的安全标准。 在1 9 8 3 年， b c 规则被结合到1 9 7 4 海上生命安全公约( s o l a s 7 4 ) 中 1 9 8 6 年7 月1 日或以后建造的化学品船必须满足它的规定。在i b c 规则之前， i m o 发展了一套早期建议。这些建议包含并以更新的形式保留在“散装运输危 险化学品船舶构造和设备规则”( 散装化学品规则，或b c h 规则) 中。尽管一 些国家采用这个规则，而且1 9 7 2 年之后建造的化学品船满足它的主要要求，但 在国际上，符合b c h 规则并不是强制性要求。 除i b c 或b c h 规则之外，化学品船要满足的另个主要规则是防污染公 约附则1 1 。i b c 或b c h 规则主要解决的是船舶安全危险方面的问题，如火灾危 险，健康危险和化学品反应性危险等。防污染公约附则i i 主要是解决海洋污染 危险方面的问题，与这方面有关的化学品通常是指有毒液体物质。根据对海洋 环境所造成的污染危害程度，有毒化学品被分为a 、b 、c 、d 和i 类。 对于兼做油船的化学品船还要满足s o l a s 对油船的要求以及防污染公约 附则i 的要求。 除上述国际公约和规则之外，化学品船还要满足相关船级社的有关要求。 2 2 船型、货舱及其结构布置 2 2 1 船型 s h i pt y p e3 lj 图2 1典型i i i 型化学品船横截面示意图 按i m o 规定的货物对环境或安全的危险程度，考虑相应的船体结构和液货 舱的配置分类：i 型船为所装货物最为危险，i i 型船次之，i i i 型船危害最小。 6 一 第二章化学品船结构设计特点 i i i 型化学品船基本上是单壳结构，与传统的单壳油船相比，具有较高的破 舱稳性衡准要求，图2 1 表示了一个典型的i i i 型化学品船型式。 i i 型化学品船能运载i b c 规则中9 7 的货品。该型船要求采用双壳、双底 结构，边舱的最小宽度为7 6 0 m m ，双层底的最小高度为型宽的l i s ( 最小值为 7 6 0 m m ，最大值为6 m ) 。i i 型化学品船每个舱的最大载货容积为3 0 0 0 m 3 。如果 在i i 型化学品船的甲板上也安装液货舱，则该舱与舷边的距离不能小于7 6 0 m m 。 图2 2 表示了一个典型的i i 型化学品船型式。 g h i pt y p e2 图2 2典型i i 型化学品船横截面示意图 随着m a r p o l 公约和o p a 9 0 的实施，油船要采用双壳型式。双壳油船现 已成为油船的主流，新建油船必须采用双壳型式，传统的单壳油船将逐渐遭到 淘汰。表2 1 列出了油船双壳和化学晶船双壳的基本要求： 表2 1油船双壳和化学品船双壳的基本要求 i i 型化学品船 油船 载货量单位：吨边舱宽度( w ) 单位： 边舱宽度( w ) 单位：米 米 o 6 0 0w o 7 6w = 0 w 0 4 + d 、 1 2 0 0 0 0 6 0 0 5 0 0 0w 0 7 6最小0 7 6 或0 ( 如果容 积 0 5 + d w l y 2 0 0 0 0 5 0 0 0w 0 7 6 最小1 0 最大2 0 如果i i 型化学品船兼作成品油船，其边舱宽度就应同时满足i b c 规则对i i 型化学品船的要求以及m a r b o l 公约附则i 对油船的要求。 7 十qi-fi?十l!i!：f 第二章化学品船结构设计特点 i b c 规则中的4 5 0 种化学品。仅有1 3 种需要由i 型化学品船运载。i 型化学 品船也采用双壳、双底结构，边舱的最小宽度为型宽的1 1 5 ( 最小7 6 0 m m ，最 大6 m ) ，每个货舱的最大载货容积为1 2 5 0 m 3 。如果在甲板上也有载运i 型化学 品的货舱，则该货舱与舷边的最小距离不能小于型宽的l 5 ，图2 3 表示了一个 典型的i 型化学品船型式。 s h i pt y p e 1 圈2 3典型的【型化学品船横截面示意图 通常也可把船型i 和i i 结合在一艘化学品船中，例如距船任一边不小于b 5 的中心舱可以被用于运载i 型化学品船的货物。 2 2 2 舱型 化学品船设计的一个重要方面就是货舱布置。规则和规范对货舱的可接受 型式提供了指导。化学品船的货舱通常采用两种基本型式：整体式和独立式。 整体式舱是船体结构的一部分，直接对船体强度有贡献。独立式舱与船体结构 完全分离，对船体强度没有贡献，也不承受由海水施加在船体上的载荷。如果 舱的设计压力不超过0 7 b a r , 这种舱就为重力舱；如果舱的设计压力不小于 0 7 b a r ，那么这种舱就为压力舱。整体式舱为重力舱，而独立式舱可分为重力舱 和压力舱两种型式。 2 2 3 货舱结构布置 由于化学品船运载的货品种类繁多，既可载运有毒货品，又可载运动、植 物油等食用货品，这就对洗舱和扫舱提出了非常严格的要求。如d n v 规范对 i i 型化学品船的扫舱残余量要求是0 1 m 3 ，因此化学品船的货舱布嚣往往采用所 谓的“清洁”型货舱，即在货舱范围几乎都采用骨架在压载舱内的双壳、双底 结构，舱壁采用带壁墩的槽型形式，甲板骨架往往也都设在甲板之上，这样就 使得货舱内基本无构件，以有利于洗舱和扫舱，保持货舱清洁。 8 第二章化学品船结构设计特点 2 3 结构设计需要考虑的方面 2 3 i 货品清单 化学品船设计的最主要基础是载运货品清单，该清单直接影响到船型、舱 型、货舱材料选择、货舱大小尺寸以及设备要求等等。 在载运货品的化学性质方面，腐蚀性对货舱材料、油漆涂层有影响；反应 性对货舱布置有影响；而有毒性则主要影响货舱设备。 在载运货品的物理性质方面，密度对货舱边界的构件尺寸和船体梁总强度 有影响；蒸汽压力则对货舱边界的构件尺寸有影响；熔点对要求的载运温度有 影响，并进而对构件强度特征在高温液货下的变化提出了限制。 2 3 2 总纵强度 在化学品船设计中，对于总纵强度要考虑的主要因素有： 由于分舱多，因而甲板丌孔多，总纵强度主要特征参数一舯剖面模数要 考虑这些丌孔的影响 甲板骨架一般在甲板之上，因此在计算舯剖面模数时要考虑纵骨的高度 由于化学品船的装载状态要远比油船的装载状态复杂，所以总纵强度设 计要考虑所有装载状态，如压载状态、均质装载状态、非均质装载状态、高密 度货品装载状态、隔舱装载状态、对角装载状态和不满舱装载状态等等。 2 3 3 结构分析 出于载运高密度货品以及装载状态的复杂性，因此对于化学品船的结构强 度要求很高。为了确保满足结构设计衡准，通常需要在规范设计的基础上进行 有限元分析，找出强度不足区域和薄弱环节，以提高船舶结构的整体安全性。 2 3 4 晃荡研究 如果允许液舱可以在不同高度装载，那么就要对液舱进行晃荡研究和计算。 晃荡是在货舱内由船舶运动引起的激励而导致的液体运动。在一定条件下，产 生的晃荡压力可能比液体的静压力大得多，从而会对货舱结构产生不利影响。 在设计中若不考虑这种影响，可能会造成货舱结构的破坏。因此，对允许不满 舱装载的货舱，要进行晃荡载荷研究和构件尺寸评估。 2 3 5 温度应力分析 化学品船结构设计要考虑的另一重要方面就是货舱可能装载高温或低温货 品。i b c 规则中包含一些需要温度控制的货品以保持它们的液奄或者保证它们 处于安全的化学状态之下。例如煤焦油的载运温度通常在7 0 范围如低于这 个温度，它就会变稠直至固化。相反，异戊二烯则是为安全目的而要求冷却的 一个例子。如果允许温度提高，该货品将产生超过货油管系和通风系统参数的 过量可燃气体，因此威胁整个货物载运系统的安全。 各大船级社规范都允许以有限的高温载运货品而不需要进行温度应力分 9 第二章化学品船结构设计特点 析。例如l r 规范对货品载运温度的限制是： 纵骨架式船舶t 最大= 6 5 横骨架式船舶t 最大= 8 0 海水温度为0 空气温度为5 如果载运货品的温度超过规范要求，就要进行温度应力分析。进行温度应 力分析一般分为两个阶段，第一阶段是建立评估第二阶段结果的基础。具体是 第一阶段： 建立不需要进行热应力分析所允许的最大载运温度 对该温度进行热应力分析以建立使用最大静水弯矩的可接受应力。 第= 阶段考虑与相关静水弯矩相联系的载运温度，具体是： 以要求的温度和弯矩进行温度应力分析 把得出的应力与以前计算出的许用值进行比较 作出结论。 2 3 6 结构节点设计 由于化学品船初始投入非常高，因此扩大服务期限以补偿投资的需要就强 调要紧密关注结构节点，其目的是： 减少应力集中 使疲劳寿命最大 减少服务期内的修理 2 3 7 其他需要关注的几个设计因素 在化学品船结构设计中，除上面介绍的外，下面几个设计因素需要关注， 特别是前三个： 带墩或不带墩的槽型舱壁的设计 纵、横槽型舱壁连接处的设计 主要横向结构的优化 载运高密度货品的能力 通道开口的位置设计 焊接货舱包容系统的材料选择等等。 1 0 第三章有限元计算模型 3 1 研究对象 第三章有限元计算模型 本文的研究对象是一艘化学品船。船级为a b s + a lec h e m i c a l o i l c a r i u e r 。其主要尺度如下， 总长l 。 1 8 0 o r n 垂线间长l d 。 1 7 2 0 m 型宽 b3 2 2 0 m 型深 d1 8 7 0 m 设计吃水t d 1 2 0 m 该船在货舱区采用双层舷侧结构。双层底舱和舷侧舱均设置为压载水舱。 该船考虑两种货舱布置方案2 0 舱形式和4 0 舱形式。分别说明如下， 2 0 舱方案：一道垂向槽形纵中舱壁贯穿整个货舱区，将每个货舱分成左右 两部分。货舱之间用垂向槽形横舱壁隔开。槽形舱壁上下两端采用顶墩和底墩 结构支持。 4 0 舱方案：在2 0 舱形式的基础上增加左右两道水平槽形纵舱壁贯穿整个 货舱区，水平槽形纵舱壁与内底板和墩结构相连，以竖桁结构支持。 货舱n o 2 、n o 4 、n o 6 、n o 8 、( 左右舷) 运输货物设计密度为1 0 2 5 t m 3 ： n o 1 、n o _ 3 、n o 5 、n o 7 、n o 9 及污油舱( 左右舷) 运输货物设计密度为1 5 3 0 t m 3 。 在货舱区域，甲板结构、舷侧结构、底部结构均采用纵骨架式。肋骨间距 为7 4 0 r a m ，肋框间距为2 2 2 0 m m ，货舱长1 3 2 m 。为了便于清洗货舱，采用反 装甲板构架，甲板纵骨、甲板纵桁及甲板横梁均设在液货舱外面。 货舱顶墩、底墩的面板均采用抗拉的a h 3 2 高强度钢，其余构件均采用普 碳钢n v a 。 对于闭式甲板结构的船体，由于其扭转变形不太，船体强度可以相对独立 地分别研究船体总纵强度和横强度。总纵强度可以用传统的等值梁简化方法得 到工程应用满意的结果。对于横强度和局部结构强度，则应当由有限元分析来 考察。因此本文利用有限元法计算的对象是一个舱段，而不必进行全船分析。 3 2 舱段结构计算范围 在进行舱段结构强度分析时，取船体中部的一个完整货舱及前后相邻的两 个货舱舱段( 缺横舱壁) 的船体结构作为计算对象。由于本船货舱n o 1 、n o 3 、 n o 5 、n o 7 、n o 9 及污油舱( 左右舷) 运输货物设计密度为1 5 3 0t m 3 ，而货舱 n o 2 、n o 4 、n o 6 、n o 8 、( 左右舷) 运输货物设计密度为1 0 2 5 t m 3 ，且本船有 2 0 舱和4 0 舱两种货舱布置形式。为了全面考察本船船体中部重货舱和普通货 舱的结构局部强度，选取了两个计算对象，相应地建立了两个计算模型一2 0 舱模型和4 0 舱模型。见图3 1 和3 2 。 计算模型一为自f t 9 0 至f r 1 4 1 的舱段结构，包括了n o 5 、n o 6 和n o 7 三 第三章有限元计算模型 个货舱，重点考察n o 6 货舱结构局部强度。计算模型二与模型一所取范围相同 只是增加了纵向水平槽型舱壁，重点仍然是考察n o 6 货舱结构局部强度。 n o 7 ( p )n o 6 ( p )n o 5 ( p ) n o 7 ( s )n o 6 ( s )n o 5 ( s ) f t 9 0b h df l l 0 8b h df t 1 2 6f t 1 4 图3 1计算模型一结构范圉 n o 7 ( p )n o 6 ( p ) n o 5 ( p ) n o 7 ( c p )n o 6 ( c p )n o 5 ( c p ) n o 7 ( c s )n o 6 ( c s ) n o 5 ( c s ) n o 7 ( s )n o 6 ( s ) n o 5 ( s ) f l 9 0b h df l l 0 8b h df l l 2 6f l l 4 1 3 3 有限元计算模型 图3 2 计算模型二结构范围 在有限元计算模型中详尽和真实地模拟了舱段结构各个构件，其中包括垂 直槽形纵中舱壁、水平槽形纵侧舱壁、垂直槽形横舱壁、舱壁墩部结构及肋框、 1 2 第二章有限元计算模型 墩部结构肘板、底部纵桁、舷侧水平桁、甲板横梁、甲板纵桁和所有的纵骨等。 以上两个有限元模型节点和单元数量巨大，具体节点和单元数见表3 1 。 表3 1 计算模型节点和单元数 【节点总数单元总数 1计算模型一3 3 1 0 7 1 7 2 9 3 j计算模型二 3 9 8 1 32 1 2 7 l 在建立有限元模型过程中以下几点需要注意。 3 3 i槽型舱壁是重点研究对象，舱壁翼板的局部弯曲应力在其等效应力中占 主要成分。为了j 下确的在有限元计算结果中反映局部弯曲的影响，必须在翼板 单元中线加上一条网格线，否则会导致计算应力结果大大小于实际应力。见图 3 1 3 。 图3 3 槽型舱壁有限元网格 3 3 2 槽型舱壁上、下墩总是按船舶纵、横向正交布置，而槽型舱壁板方向倾 斜，因此它们之白的交汇线经常出现不规则的三角形几何关系，加大了划分有 限元网格的难度。必须尽可能避免采用三角形单元，以减少应力失真现象。 3 3 3墩部结构面板内部的骨材构成了多个刚架，这对于面板抵抗液货压力非 常重要，因此必须如实地将这些骨材建八有限元模型，否则将会导致墩部结构 面板应力失真。见图3 4 。 - 1 3 一 第三章有限元计算模型 图3 4 墩部结构内部骨架模型 图3 5 墩部、舱壁连接处模型 1 4 第三章有限元计算模型 3 3 4 当墩部结构内骨材与槽型舱壁和墩部面板的交线相交叉，因而难以划分 有限元网格时，必须严格按照实际结构建立网格线，可以采用三角形单元，防 止由于模型建立不当导致槽型舱壁面板和墩部骨材扭曲而产生高应力区的失真 现象。见图3 5 。 3 3 5 在有限元网格中，板壳采用8 节点壳单元，纵骨、横梁和纵桁等采用3 节点梁单元，可以明显提高计算精度。 3 3 6 从理论上来说，有限元网格越细密，计算结果就越精确。但是在实际建 模过程中，如果盲目增加网格，只能大量增加工作负担，而对于计算精度的提 高是极为有限的。因此在建立有限元模型时，各主要构件如纵骨、横梁等必须 如实反映，次要结构如加强筋、减轻孔等可以不必考虑。但是，对于主要承载 区域和重点分析结构，必须完全按照实际结构建立模型，并且适当加密网格， 以求反映真实应力状态。 3 4 计算模型坐标系 计算模型坐标系为直角坐标系，x 轴位于船体中心线上，由船艉指向船 艏；y 轴指向左舷，z 轴垂直向上。 3 5 计算模型板厚 表3 2 腐蚀裕度( m m ) 位置结构构件扣厚尺寸 甲板板2 0 外壳板 2 o 露天甲板1 5 m 范围内内壳板 2 5 纵中舱壁顶墩面板 2 0 横舱壁顶墩面板2 o 甲板板 1 5 外壳板1 0 内壳板 i 5 外底板1 _ o 内底板 1 5 其他 底部纵桁 1 o 舷侧水平桁 1 _ 0 纵中舱壁1 5 横舱壁 1 5 墩部结构肘板 1 0 计算模型板厚根据d n vr u l e sf o rc l a s s i f i c a t i o no fs h i p s 。p a r t3 c h a p t e r1 ，1 9 9 7 规范中“s e c t i o n1 3 ”直接强度计算要求，扣掉腐蚀裕度， 第三章有限元计算模删 在构件净尺寸上进行强度分析。 由于化学品对货舱结构构件具有腐蚀性，需要特殊的涂层来保护结构构件， 或者采用复合钢板和不锈钢柬抗腐蚀。但是，对于化学品船，规范中没有专门 腐蚀裕度扣厚规定。因此参照d n v 规范货油舱腐蚀裕度扣厚标准对甲板、纵 中舱壁、横舱壁、内底板、舷侧内板等液货舱边界构件及液货舱内部构件进行 扣厚。 具体的扣厚数据见表3 2 。 3 6 边界条件 在舱段计算模型两端切口处施加边界条件，所有的边界点在y 和z 方向位 移固定，此外，在中纵舱壁上所有边界点x 、y 、z 方向位移都固定。 边界条件的人为设置，会影响边界附近的应力计算结果，舱段计算总是不 考察两端截面附近的应力，仅重点考察中问完整舱段的强度，因为两边舱边界 条件对中央舱段的影响并不太，中央舱段的应力结果是可信的a 3 7 计算模型图 建立的有限元模型如下所示。 图3 6 计算模型一有限元模型图 1 6 - 篓三皇至迥墨塑型 图3 7 计算模型二有限元模型图 1 7 第四章有限元计算t 况组合 第四章有限元计算工况组合 4 1 规范定义的常规工况 舱段计算在可能的最严重载荷条件下考察结构的应力。因此各船级社都设计 了各种专用于考核舱段强度的载荷工况。 在d n v 规范d n vr u l e sf o rc l a s s i f i c a t i o no fs h i p s ，p a r t3 c h a p t e r1 ，1 9 9 7规范中s e c t i o n1 3“d i r e c ts t r e n g t h c a l c u l a t i o n s ”中，给定了化学品船舱段结构强度分析中对于2 0 舱布置方案 的6 个工况( l c l l c 6 ) 。另外，对于4 0 舱布置方案，在d n v 规范中没有明确 的对4 0 舱布置的要求，因此在本文中，对4 0 舱方案研究了3 种极端装载状况 ( l c l l l c l 3 ) 。 在进行舱段结构三维有限元强度分析时，施加的载荷通常为舷外海水静压力 与动压力、货物静压力以及压载水静压力。 在直立非横摇状态，液货物压力可根据下式计算： p = p g o h , + p o ( k n m 3 ) 式中： p ：液货密度( t m 3 ) h 。：从货舱顶至计算点的垂直距离 p o ：考虑液货挥发形成的压强。标准设计值为2 5 k n m 3 对于工况l c l 和l c 2 ，海水作用在舷侧、底部、甲板上的压力可根据以下 公式计算： 对于在吃水线之下： 日= l o + 日+ 1 3 5 y 怛+ 7 5 ) - 2 5 c 。l ( k n m 3 ) 对于在吃水线之上： b = 只+ 1 3 5 y ( b + 7 5 ) - 4 1 0 ( k n m 3 ) 式中： 鼻= 慨o + 厂) ( k n m 3 ) o = 1 0 7 5 一 ( 3 0 0 一l ) t 1 0 0 3 ” k s = 2 ( 船舯部分) 1 1 0 ：从吃水t 至计算点的垂直距离 f 从吃水线到舷侧顶的垂直距离( m ) y ：从船中心至计算点的水平距离，至少为b 4 ( m ) 对于工况l c 3 和l c 4 ，取最小设计吃水t ，海水作用在舷侧、底部的压力 为： e - - - t o ( r ，i z ) ( k n l m 3 ) 第四章有限元计算 况组合 式中： t ：最小设计吃水，对于液货船t 。= 2 + o 0 2 l l ：船长( m ) z ：从基线至计算点的垂直距离 对于工况l c 5 。吃水取m i n ( 0 2 5 d ，0 3 5 t ) ，对于工况l c 6 ，吃水取 m i n ( 0 3 5 d ，0 s t ) 。 海水作用在舷侧，底部的压力为：p = 1 0 凡( k n m 2 ) 式中：t l n 为吃水线至计算点的垂直距离。 根据以上所列的计算公式可以计算得到工况l c l l c 6 的吃水及甲板、外 底板和舷侧板海水压力分布，见表4 1 ，相应的分布图见图4 1 图4 4 。 表4 1 计算工况中的海水压力 甲板最大海水压外底板最大海水 计算工况号 吃水( m ) 力( k n m 2 1压力( k n m 2 1 l c l1 2 01 8 81 4 9 4 l c 21 2 0 1 8 8 1 4 9 4 l c 35 “0 05 4 4 l c 45 4 4o 05 4 4 l c 54 20 04 2 l c 66 o0 o6 0 对于液货的静压力，按满舱装载计算，根据液货密度计算得出液货对船体 内壳的压力，见表4 2 。 液货密度 甲板液货压力内底板液货压力 1 0 2 5 t m 32 51 9 1 2 4 1 5 3 0 t m 32 52 7 3 1 5 在每种装载工况( l c l l c 6 ) 中，各舱装载情况见图4 5 q 1 0 所示。 1 9 第四章有限元计葬f 况组合 图4 1 设计吃水t = 1 2 m 时舷外海水压力分布( l c l 和l c 2 ) 图4 2 设计吃水t = 5 4 4 m 时舷外海水压力分布( l c 3 和l c 4 ) 2 0 第四章有限元计算j ：况组台 图4 3 设计吃水t = 4 2 m 时舷外海水压力分布( l c 5 ) 螯 妻重 丽臆 图4 4 舱内压栽水及甲板液货压力分布( l c 6 ) 2 1 第四章有限元计算【：况组合 图4 5 工况l c l 装载条件和吃水 图4 , 6 工况l c 2 装载条件和吃水 2 2 - 第四章有限元计算r 况组合 图4 7 工况l c 3 装载条件和吃水 圈4 8 工况l c 4 装栽条件和吃水 2 3 第四章有限元计算【：况组合 ? i 图4 9 工况l c 5 装栽条件和吃水 f 、 图4 1 0 工况l c 6 装载条件和吃水 2 4 - 第四章有限元计算工况组合 4 2 计算模型一温度载荷工况 由于有些化学品在运输的过程中，需要加热，货舱可能存在较高的温度，因 此对化学品船货舱结构还需要进行温度应力研究。 在本文中，根据实际工作温度状态，确定了温度载荷计算工况。并假设温度 分布处于稳定状态，且液货温度分布均匀。 在无温度载荷作用下的计算工况( l c l - l c 6 ) 中，l c l 和l c 2 相对是应力比较 高的工况，因此计算模型一的温度工况是在工况l c l 和l c 2 的基础上，施加温 度载荷得到的。定义为工况l c 7 和l c 8 。 根据实际装载状态，计算中采用的液货温度为6 8 摄氏度，外界温度为5 摄 氏度。具体的温度工况见表4 3 。 表4 3 温度工况组合 工况说明温度 液货温度6 8 。c ，外界 l c 7 以l c l 为基础 温度5 。c 液货温度6 8 。c ，外界 l c 8 以l c 2 为基础 温度5 。c 4 3 计算模型二工况组合 在计算模型二中，两道水平槽形纵舱壁贯穿整个货舱区。对于这样的货舱布 置，在d n v 规范中没有明确的规定。因此，在本文中，我们以模型二货舱区域 可能出现的最危险装载状态为依据，确定了三个计算工况，分别为l c l l 、l c l 2 和l c l 3 。见图4 1 l 图4 1 3 。同时，以该三个工况中最危险的l c l 2 为基础，确 定了温度工况l c l 4 ，施加的温度与l c 7 相同。 2 5 一 第四章有限元计算1 = 况组合 图4 1 i 工况l c l l 装载条件和吃水 图4 1 2 工况l c l 2 装栽条件和吃水 2 6 第四章有限元计算：况组合 图4 1 3 工况l c l 3 装载条件和吃水 2 7 t 第五章舱段结构局部强度评价标准 第五章舱段结构局部强度评价标准 5 1 常规载荷工况舱段结构局部强度评价标准 在本文中，根据d n v 的舱段结构考核工况进行局部强度分析，因此需用 d n v 规范中制定的许用应力进行构件强度衡准。 d n v 规范“r u l e sf o rc l a s s i f i c a t i o no fs h i p s ”，j a n u a r y1 9 9 7 中p a r t3 ， c h a r p t e r1 s e c t i o n1 3 “d f e e ts 仃e n g t h c a l c u l a t i o n ”规定， 对于板材： 在板格中间面内应力与局部弯曲应力合成后等效应力不大于2 4 5 f im p a ，板格中 间局部弯曲应力不大于1 6 0f i m p a 。 对于桁材： 等效应力不大于1 9 0f i m p a 。 同时对于应力集中区域，d n v 规定其许用应力可适当放宽。 以上式中f l 为材料系数，对于普碳钢f i = 1 0 ，对于a h 3 2 高强度钢f i = 1 2 8 。 在本文建立的有限元模型中，槽形