沿海集装箱船横向强度直接计算分析研究.doc

沿海集装箱船横向强度直接计算分析研究王小虎* 作者简介：王小虎，男，1982年生， 2004年毕业于江苏科技大学，助理工程师。(中航船舶重工有限公司,江苏 泰州)摘要：利用MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN对336TEU集装箱船的横向强度进行了有限元强度计算。给出了外载荷的计算方法和边界条件的施加方法，并在十种工况下对336TEU集装箱船进行了横向强度有限元强度分析。通过有限元分析得到的结论可用于指导集装箱船的结构设计与优化计算结果表明结构强度满足强度要求。 关键词： 集装箱船；有限元分析；船体结构。中图分类号： 文献标识码： 0 引言集装箱船作为海上货物运输的一种主要船型，航速高、装卸快、停靠码头时间短，日益受到航运和造船界的重视，集装箱船的拥有数量和总吨位已成为一个国家海上运输能力的重要标志之一。长大的甲扳开口是集装箱船最主要的结构特征，因此，结构抗扭转性能是衡量其强度和刚度的重要指标之一。目前世界上几个主要船级社为了对集装箱船甲板大开口强度进行合理的评定，在其各自的规范中都给出了相应的简化计算方法和强度衡准。对这些方法和衡准进行分析、消化和吸收，将有利于掌握集装箱船甲板大开口特性，并在结构设计中找到更快、更好地满足相应船级社有关要求的途径。1 船体说明及有限元模型1.1 船体说明336TEU集装箱船货舱区域为双壳、双底结构，肋距为500mm，双层底高1050mm，强框架间距2000mm，设有5根双层底纵桁。船舶总长99.200 m，垂线间长93.0m，型宽18.5 m，型深7.8 m，设计吃水4.9 m。本船前货舱内装载6行、6列、共5层，共176TEU；后货舱内装载4行、6列、共5层，共120TEU；尾部装载2行、5列、共4层，共40TEU，全船合计装载336TEU。均箱按10.5 t/TEU，重箱25 t/TEU，空箱2.5 t/TEU进行计算。1.2 有限元模型 用三维有限元模型进行集装箱船主要构件的横向强度计算时，模型宽度范围：1）边界条件类型为对称时选取为半宽模型（取左舷）；2）边界条件类型为非对称时选取全宽模型。舱段模型的纵向范围从#50肋位到#115肋位；垂向范围为从船体基线到舱口围板上缘。其中甲板等平板结构用板单元模拟，肋板、底纵桁、甲板纵桁、甲板强横梁、舷侧纵桁、舷侧强肋骨，舱壁水平/垂直桁等腹板用板单元模拟，面板用梁单元模拟；其它小的骨材用梁单元模拟。模型长度单位：mm。有限元模型：半宽模型结点9508个，单元18447个；全宽模型结点18687个，单元36623个。有限元模型见图1和图2，坐标系统采用右手坐标系，原点0位于Fr50号船底中线处，X轴指向船艏为正方向，Y轴指向左舷为正方向，Z轴向上为正方向。 图1 半宽结构有限元模型 图2全宽结构有限元模型1.3边界条件1.3.1对称边界条件模型的两端（A端_#50和B端_#115）和中纵剖面（CL）等均需约束。详细边界条件见下表1。表1 对称边界条件位置线位移约束角位移约束dxdydzqxqyqz方向纵向横向垂向绕X轴转绕Y轴转绕Z轴转A端固定固定固定B端固定固定CL固定固定固定K、L固定LH、KG垂向力1.3.2 非对称边界条件模型的两端（A端_#50和B端_#115）和中纵剖面（CL）等均需约束。详细边界条件见下表2。计算工况的边界条件符号示意见图3。表2 不对称边界条件位置线位移约束角位移约束dxdydzqxqyqz方向纵向横向垂向绕X轴转绕Y轴转绕Z轴转A端固定固定固定B端固定固定G、H固定LH、KG垂向力I、J固定图 3 边界条件符号示意图1.4 计算工况及荷载1.4.1 计算工况根据中国船级社集装箱船结构强度直接计算指南及该船的稳性计算书，选取工况LC1、LC2、LC3、LC4，选取满载出港（货舱进水）（LC5）对本船进行结构强度有限元计算，每种工况均取满载出港时的均箱和配箱两种装载情况进行计算。即共计算10种工况。其中LC1、LC4和LC5为边界类型对称工况，LC2和LC3为边界类型非对称工况，计算工况详见表3。表3 计算工况工况描述工况识别号外部荷载集装箱载荷边界条件类型静水载荷波浪载荷货舱内舱盖上中间一20ft箱位空舱工况1（LC1）其余箱位处20ft空舱上方舱盖对称船舶横倾中间一20ft箱位空舱工况2（LC2）其余箱位处20ft空舱上方舱盖非对称船舶横倾工况3（LC3）其余箱位处20ft所有舱盖20ft非对称船舶纵荡工况4（LC4）所有舱内装载40ft，由纵向加速度产生的纵向荷载所有舱盖装载40ft，由纵向加速度产生的纵向荷载对称满载出港（货舱进水）工况5（LC5）其余箱位处20ft空舱上方舱盖对称注：结构吃水，m；波峰引起的局部波浪载荷；货舱进水后的船舶实际吃水，m。1.4.2 计算荷载局部载荷计算中考虑的载荷分量包括如下：1、空船重量；2、集装箱载荷：将集装箱重量加到内底板上对应箱角位置上；3、吃水引起的舷外静水压力；4、局部波浪载荷引起的附加压力；5、由船舶纵向加速度作用在集装箱上产生的纵向载荷。1.4.2.1作用与舷侧及船底的附加波浪压力水线处：；基线处：其中：；和之间线性插值；波浪系数；，1.4.2.2横倾工况中（LC2、LC3），模型处于一静横倾状态，计算各载荷分量。货舱内集装箱随船舶横倾产生的横向载荷分量，按其在纵舱壁对应的箱角分布位置为作用点，以一组集中力作用在横舱壁上。1.4.2.3由船舶纵向加速度作用在集装箱上产生的纵向载荷：货舱内每一集装箱纵向运动加速度产生的力按各集装箱的物理位置由集装箱对应箱角位置传递到横舱壁的主要结构上。1.4.2.4 纵向合成加速度应按下式计算：式中： z 计算点到基线的垂向距离，m；zrp 横摇转动轴和纵摇转动轴到基线的垂向距离，应按下列两式计算，取小值： ； 其中：D型深，m；d吃水，m。纵荡加速度，应按下式计算：；式中：方形系数；加速度系数，应按下式计算；：， L船长，m； V航速，10kn；系数。纵摇角加速度，式中：纵摇周期，s，按下式计算，。最大纵摇角，rad，但不得大于0.14。1.4.2.5 工况LC5中应考虑由于货舱进水使得舷侧内壳、内底板和横舱壁上受到的静水压力。 2 计算结果本文对10种工况下的集装箱船的横向强度进行了有限元计算分析，各工况下船体构件的最大应力见表4，各种工况下船体应力云图见图4-13。表4 各工况最大应力汇总表构件名称校核工况seslsWt许用实际许用实际许用实际许用实际船底外板LC1均箱10044.114065.7内底板LC1均箱10048.814084.3双层底纵桁LC1均箱18099.210048.89056.7双层底肋板横向强框架LC1均箱1801199056.9舷侧板舷侧板LC1均箱140449045纵舱壁LC1均箱14084.39054.7横舱壁板LC1均箱18060.114046.19033.7横舱壁桁材LC4配箱8581.1甲板横向抗扭箱LC4均箱18034.514022.19010纵骨及加强筋LC3配箱180135肘板趾端部应力集中LC1均箱22084.7 图4 工况1均箱应力云图分布 图5 工况1配箱应力云图分布 图6 工况2 均箱应力云图分布图7 工况2配箱应力云图分布图8 工况3均箱应力云图分布图9 工况3配箱应力云图分布图10 工况4均箱应力云图分布图11 工况4配箱应力云图分布图12 工况5均箱应力云图分布图13工况5配箱应力云图分布3 结语复杂船体结构的模型化技术是进行全船有限元分析的基础，必须建立在对船体结构变形与受力定性分析的基础上。既保证结果的正确性，又控制模型的规模。本文在剪力有限元模型的基础上，分别分1.中间一20ft箱位空舱、2.船舶横倾中间一20ft箱位空舱、3.船舶横倾、4.船舶纵荡、5.货舱进水，以上五种工况每种又详细分为均箱和配箱两种情况，共计10种工况下对集装箱船进行了横向强度计算。从计算的结果来看，均箱是比较危险的装载工况，在实际装载中应予以重视。在集装箱船大开口甲板舱口角隅的设计中，应根据不同船级社规范要求对大开口强度进行合理的计算。并注意强度评定中各应力分量和强度标准应用的前提条件. 在建立质量模型时，对于高出主甲板的集装箱处理是关键。因为高出主甲板的集装箱有一定的重心高度，它在横摇和斜浪条件下，对于结构的强度有一定的影响。不考虑这一高度，而将集装箱质量全部按质量点形式分配在主甲板上，必然会带来一定程度的误差。参考文献1 中国船级社,