共同规范研究总结报告讲解

1、广船国际股份有限公司 1 共同规范研究总结报告共同规范研究总结报告 广船国际股份有限公司编制 广船国际股份有限公司 2 技术性能指标技术性能指标 .3 一一 货舱区船体结构设计与优化研究货舱区船体结构设计与优化研究 .4 1） 结构设计依据结构设计依据:.4 2） JTPJTP 规范对结构设计的影响比较分析规范对结构设计的影响比较分析.5 3 3） 货舱区船体结构舯剖面设计优化货舱区船体结构舯剖面设计优化 .11 4 4） 中纵舱壁及横舱壁设计中纵舱壁及横舱壁设计.13 二二 货舱区船体结构有限元分析方法评估货舱区船体结构有限元分析方法评估.17 1） 三维有限元模型的范围三维有限元模型的范围

2、.17 2） 边界条件边界条件.21 3 3） 装载工况和有限元计算工况装载工况和有限元计算工况.23 4 4） 应力衡准应力衡准 .28 5 5） 计算结果计算结果 .30 三三 船体梁极限强度及屈曲强度评估船体梁极限强度及屈曲强度评估 .37 1） 船体梁极限强度及评估船体梁极限强度及评估.37 2 2） 屈曲强度评估屈曲强度评估.38 四四 结论结论.41 1） 确定了舯剖面的结构形式和构件布置确定了舯剖面的结构形式和构件布置.41 2） 研究确定纵、横舱壁结构形式和构件尺寸研究确定纵、横舱壁结构形式和构件尺寸.42 3） 应用有限元分析方法计算评估船体结构屈服和屈曲强度应用有限元分析方

3、法计算评估船体结构屈服和屈曲强度.43 4） 应用应用“一步法一步法”计算校核船体梁极限强度计算校核船体梁极限强度.43 5） 应用初步屈曲强度计算方法校核船体屈曲强度应用初步屈曲强度计算方法校核船体屈曲强度.43 四四 疲劳评估与节点设计优化研究疲劳评估与节点设计优化研究.43 1） 纵骨疲劳强度评估纵骨疲劳强度评估名义应力法名义应力法.44 2） 热点位置的疲劳强度评估热点位置的疲劳强度评估热点应力法热点应力法.45 3） 研究结论研究结论.67 五五 研究成果的应用情况研究成果的应用情况 .68 1） 应用前景应用前景.68 2） 取得的经济效益取得的经济效益 .68 广船国际股份有限公

4、司 3 技术性能指标 No技术项目技术参数指标 1船型Handy Size Tanker 总长 Loa183.20m 垂线间长 LBP176.00m 型宽 B32.20m 2 型深 D18.20m 设计吃水 Td11.00m3 结构吃水 TS13.00m 设计载重量42,500T4 结构吃水载重量50,500T 5货舱容积 VC58,300m3 货舱壁形式带下墩的纵/横槽形舱壁清洁舱型 燃料油舱形式双壳6 服务航速 VS14.8kn 8锅炉1 套, 每套 25 t/h 9废气锅炉1 套, 1.0 t/h 10柴油发电机组3 套, 每套约 960kW 11救生设备尾抛艇+救助艇 广船国际股份有限

5、公司 4 一 货舱区船体结构设计与优化研究 1） 结构设计依据: 根据以上船型主尺度参数、船体布置、和结构型式上的特点，按船级 社协会(IACS)JTP 共同规范（COMMON STRUCTURAL RULES FOR DOUBLE HULL OIL TANKERS）中对适用双壳油船船型的规范要求，本型 HANDYSIZE 型成 品油船完全满足本规范的适用范围，见表 1 中所列出比较结果，所以在结 构优化设计中应严格按 JTP 共同规范的要求进行结构形式研究、构件布置、 结构强度校核、构件规格设计等。 表1：成品油船满足JTP规范适用要求 项目 适用 JTP 规范要求 成品油船比较结果 Lpp

6、 (m) 150 满足 Lpp/B5满足 B/D0.7满足 双壳是满足 双底是满足 机舱和甲板室布置在货舱区后是满足 分舱 布置 布置内壳和一道中纵舱壁是满足 船体为焊接形式是满足 船体为板架构成是满足船体 构造由横向舱壁、间隔强框架参与的纵向板 架构成 是满足 双壳双底尺度满足法定要求 （IMO&MARPOL） 是满足 单甲板结构是满足 船体 结构 布置横纵舱壁位置满足法定要求 （IMO&MARPOL） 要求 是满足 广船国际股份有限公司 5 2） JTP 规范对结构设计的影响比较分析 JTP 规范对 150m 以上双壳油船的结构设计在结构腐蚀余量、计算载荷、 计算载荷点选取、结构设计细节、

7、强度评估衡准等方面的要求较以往的规 范作出了重大的改变，对船体结构设计要求更加严格，其影响深远。在结 构设计优化过程中，通过熟悉和应用 JTP 规范对货舱区的纵、横构件进行 规范设计，并与应用以前规范设计出的船体结构进行比较，得出 JTP 规范 主要在下面几个方面导致结构重量大大增加。 a） 合成计算载荷方面 在结构设计衡准中设计载荷的计算较目前规范更加复杂，载荷分类被 进一步的细化，见表 2。在构件规范设计计算中应用的是在不同吃水下、 不同装载状态下的合成载荷。 表2：合成计算载荷的分类 合成载荷 载荷成分 静载荷 （S） 静载荷+动载 荷 (S+D) 破损载 荷 (A) 冲击载荷 (IMP

8、ACT) 砰击载荷 外载荷海水静载荷 海水静载荷+ 波浪动载荷拍击载荷 液货静载荷 （所有液舱） 水压试验载 荷（所有液 舱） 置换法静载 荷（压载舱） 内载荷 溢流法静载 荷（压载舱） 液货静载荷+ 波浪诱导液舱 内动载荷（所 有液舱） 平衡水 线下的 破损载 荷 广船国际股份有限公司 6 由表 2 可知，合成载荷总体上分为静载荷、动载荷、晃荡载荷、冲击 载荷和破损载荷，这几种载荷在构件计算中根据构件的所在部位按内、外 不同载荷成分进行合成计算，并在对应力计算衡准中要计及垂直和水平静 水、波浪合成弯矩、剪力的影响。另外计算动载荷要考虑船体运动六个自 由度以及船体与波浪方向的横浪、斜浪、迎浪不

9、同状态下引起的加速度变 化，见表 3。 表 3：货舱区的动载荷工况 JTP 规范的设计载荷要求大体上与 DNV 规范设计载荷的要求基本类似， 但计算载荷的合成与计算过程更加复杂，繁琐，同时由于压载水置换法和 溢流法的引入，使弯矩和剪力大大增加，载荷计算值中要考虑过压载荷， 造成压载舱周围边界构件计算载荷较原来有所增大，导致结构构件的尺寸 大大增加。 b） 结构腐蚀余量方面 JTP 规范要求的构件腐蚀余量较 ABS、DNV 等船级社目前规范的要求大 广船国际股份有限公司 7 大增加，见表 4 中及图 1 中所示的对于货舱区船体构件 JTP 规范要求值与 ABS、DNV 以前规范要求值的比较 图

10、1：结构腐蚀余量的比较 广船国际股份有限公司 8 表 4：JTP 规范与原来规范对于腐蚀余量要求的比较（货舱区） 腐蚀余量值 （mm）构件部位 ABSDNVJTP 比较 结果 主甲板在液货舱范围内 1.01.04.0400% 主甲板在压载舱范围内 2.02.04.0200% 压载舱内部构件在甲板下 3.0m 内 2.03.04.0133% 压载舱内部构件在甲板下 3.0m 外 1.01.53.0200% 液货舱内部构件在甲板下 3.0m 内 1.52.04.0200% 液货舱内部构件在甲板下 3.0m 外 1.01.02.5250% 舷顶列板 2.02.03.5175% 舷侧外板 1.01.0

11、3.0300% 内壳板与斜底板 1.51.03.5233% 内底板 1.51.54.5300% 外底板与舭部外板 1.01.03.0300% 由上表看出，对于结构构件腐蚀余量 JTP 要求较以往规范要求大大增 加，增加幅度在 100400%之间，主甲板和内底板腐蚀余量增加值达到了 3mm，这将造成船体构件的板厚大大增加，结构重量越来越大。 c) 结构计算的“净厚度”应用 在上述计算载荷和结构腐蚀余量要求增加的情况下，JTP 规范要求在 广船国际股份有限公司 9 船体结构强度计算校核中应用构件的“净厚度” ，即要求用于强度计算的 构件尺寸是建造厚度扣除腐蚀余量后的净尺寸，如图 2。 图 2：净厚

12、度示意图 根据校核不同的结构部位和不同的校核方法，规范对“净厚度”的定 义不同。见表 5 中结构校核中“净厚度”的定义。 表 5:JTP 规范对于强度校核净厚度要求 不同校核方法构件类型净尺寸 tnet 最小板厚要求所有构件t-1.0 x t grosscorr 船体梁总纵强度所有参与总纵强度的纵向构件t-0.5 x t grosscorr 板材和局部扶强构件t-1.0 x t grosscorr 结构构件规范尺度校 核主要支撑构件（强框架、纵桁等） t-0.5 x t grosscorr 船体梁极限强度所有参与总纵强度的纵向构件t-0.5 x t grosscorr 结构有限元分析所有构件t

13、-0.5 x t grosscorr 结构疲劳强度评估参与船体梁应力计算构件 t-0.25 x t gross corr 广船国际股份有限公司 10 参与局部应力计算构件t-0.5 x t grosscorr t_腐蚀余量；t_建造厚度 corrgross 广船国际股份有限公司 11 通过目标船的计算校核，JTP 规范要求总纵强度校核应用净尺寸与以 往规范要求完全不同，以往规范在总纵强度计算中应用构件的建造厚度， 而 JTP 规范要求扣除 0.5 倍的腐蚀余量，这样导致应用原来规范校核出的 船体梁剖面模数不满足 JTP 规范的总纵强度要求，结构构件的尺寸必然大 大增加。 d） 结构疲劳寿命的改

14、变 JTP 规范中有关船体结构疲劳年限和疲劳校核的外部波浪环境要求较 以往规范有较大的改变，疲劳年限由 20 年改为 25 年。相比于以往的设计 寿命 20 年，设计寿命的增加除了是由于年限的增加，还由于外部波浪环 境由原来规范要求的无限航区，改为船舶完全在北大西洋波浪环境中营运 的疲劳评估标准的提高。另外 JTP 所使用的 Weibull 形状参数、SN 曲线、 不同位置、不同应力成分的组合因子等的不同，也使得结构疲劳寿命的要 求更加严格。 详细的疲劳设计优化见第四部分。 e) 结构重量变化比较 通过对目标船规的范设计校核结果与应用 DNV 规范设计出的货舱区船 体结构进行了比较，得到依据

15、JTP 规范设计出的货舱区船体结构重量增加 为 720 吨，增加的重量较以前规范计算出的船体钢料重量的增幅达到了 10%， 不同结构部位纵向构件板厚重量增加的比例见图 3。 广船国际股份有限公司 12 图 3：纵向板厚增加的比较 3） 货舱区船体结构舯剖面设计优化 以 JTP 规范作为设计依据，根据总体性能研究的装载计算中得出的最 大静水弯矩作为最大设计静水弯矩，借助 NAUTICS 计算程序，从纵骨间距、 强框架间距、材料的选用和总纵强度校核等几个方面，对舯剖面纵向构件 广船国际股份有限公司 13 进行了细致的优化研究。 a）结构材料的使用 在船舶结构设计中，使用高强度钢可以提高结构强度，降

16、低结构重量， 但高强度钢结构构件尺寸变小，容易发生失稳变形，抗疲劳性能差。而且， 舷侧纵向构件在水线附近承受波浪交变载荷，极易产生疲劳裂纹，不宜采 用高强度钢。另一方面，由于舯剖面中和轴附近总纵弯曲应力较小，使用 普通碳钢很容易满足结构强度和疲劳的要求。 本专题对方案 1（全部采用普通碳钢）的舯剖面结构和方案 2（部分 采用高强度钢）的舯剖面结构进行计算比较，以得出较为合理的材料选用 设计方案。见表 6。 表 6：选用不同材料时，货舱区船体结构板厚及型材的比较 材料选用方案 比较项目 方案 1方案 2 舯剖面纵向连续构件截面积 Am (m2) 3.6553.298 中和轴距基线高度 h (m)

17、 7.6757.387 规范要求甲板剖面模数 Zr (m3) 12.08111.852 规范要求船底板剖面模数 Zr (m3) 17.63515.195 甲板实际剖面模数 Zda(m3)（NET） 14.60113.583 船底板实际剖面模数 Zba(m3)(NET) 20.35419.972 (Zda/Zr)%120.9114.6 (Zba/Zr)%115.4131.4 局部强度要求值 15.514 最大甲板板厚 （mm）实取值 1614.5(AH32) 局部强度要求值 SMR=271(HP200X11.5)SMR=159(FB200X12) 甲板纵骨实取值 SMA=446(HP260X12

18、)SMA=269(HP220X12) 最大内底板板厚（mm） 1616 内底纵骨 HP300X12HP300X12 最大外底板板厚（mm） 14.514.5 外底纵骨 HP320X13HP320X13 货舱区总长 LC.T.(m) 135.8 货舱区纵向连续构件重量 W1(t) 38963516 广船国际股份有限公司 14 从表 6 中可以看出，方案中的板厚和型材尺寸均比方案的小，焊 接加工时的工作量小。重要的是，方案 2 的材料选用将使纵向连续构件的 重量减轻 9.8%。所以本船结构设计中的材料选用确定为第方案。并经过 优化调整，最终计算出 50500t 化学品/成品油船的高强度钢（AH36

19、）用量 约占全船钢料重量的 38%。 b） 总纵强度校核 据装载稳性计算得到的中拱、中垂状态下最大静水弯矩和 JTP 规范要 求垂直波浪弯矩，在总纵弯矩合成应力的作用下，应用规范中的计算公式， 计算得到规范要求的甲板和底部的最小剖面模数为 11.852m 和 3 15.195m ，船体梁净剖面模数（船体梁构件的建造厚度减去 0.5 倍的腐蚀 3 厚度后计算得到的船体梁剖面模数）Zv-net 应不小于规范要求的最小剖面 模数。通过 DNV 船级社 NAUTICS 计算程序，应用腐蚀余量扣除后净板厚实 际计算得到船体梁甲板和底部的净剖面模数分别为 13.583 m 和 19.972 m 3 ，较规

20、范要求的最小剖面模数分别有 14.6%和 31.4%的储备。底部的实际 3 剖面模数差别较大是由于货舱内、外底板局部强度要求造成的。 4） 中纵舱壁及横舱壁设计 一般来说舱壁有四种形式：带水平桁和垂向扶强材的平板舱壁、带垂 直桁的水平槽形舱壁、双平板舱壁以及带上下墩结构的垂直槽形舱壁。本 船在综合考虑各方面因素后采用最后一种舱壁形式，即中心纵舱壁及横舱 壁都采用带下墩结构的垂直槽形舱壁。 广船国际股份有限公司 15 槽型舱壁结构形式采用较为常见的梯形槽型剖面，据统计和规范要求， 梯形剖面的夹角在 6080之间板厚和槽型间距最经济，槽型的平面部分 与槽型的斜面部分基本相等，同时槽型的深度越深，槽

21、型的强度越好。 本船根据总体分舱布置、舱型等因素，对纵横舱壁槽型进行优化设计。 根据有关资料分析，梯形槽型舱壁板的腹板和面板近似相等时槽型剖 面板厚最经济，而此时影响槽型的是两个参数，分别是槽深和槽型剖面夹 角。我们根据 DNV 提供的表格对槽形舱壁进行了优化，如表 7，最后选取 了目标船的形式，如图 4 和图 5 所示。 表 7：槽形舱壁的优化 广船国际股份有限公司 16 最后优化的槽形舱壁为： 槽深：1160mm，槽形剖面的夹角为：77，板的厚度为：纵舱壁 19mm（AH36） ，横舱壁 19.5mm（AH36） 优化后的舱壁入图所示 图 4：优化后的 HANDY SIZE 成品油/化学品

22、船典型横舱壁图 广船国际股份有限公司 17 图5：优化后的 HANDY SIZE 成品油/化学品船典型纵舱壁图 广船国际股份有限公司 18 二 货舱区船体结构有限元分析方法评估 1） 三维有限元模型的范围 船体结构强度的有限元计算在规范中是强制性规定。计算范围包括两 部分： 一是货舱区分析，校核纵向构件、主要支撑构件和横舱壁的强度；二 是细网格分析，校核局部结构应力水平。 按 JTP 的要求，有限元模型的最小纵向范围应覆盖中部货舱区三个液 货舱长度，其范围应能充分表示中部区域内的结构，如图 6。 图6：货舱区有限元模型的范围 目标船建立了从 FR88 到 FR180，全长 64.4 米的三个舱

23、段的模型，包 括第三舱的全舱，第四舱的全舱、第五舱的全舱和分别向两端舱延伸至第 一个强框的部分。根据 JTP 规范，由于模型边界距离横舱壁已有一个舱长 的距离，因而边界条件产生的误差在横舱壁处已经基本消除，两横舱壁及 在其间的中舱段计算结果是可信的。 该模型完整表达了舱段中的全部构件，每两个纵向扶强材之间有一个 单元，横舱壁每个扶强材之间有一个单元,在每个强肋骨、横撑和纵桁的两 广船国际股份有限公司 19 个扶强材之间有一个单元格,在双层底内的纵桁和实肋板、横向和垂向的强 肋骨、横舱壁的水平桁材高度内有三个单元,对于撑杆和具有较小腹板的制 荡横舱壁和纵舱壁上的甲板强横梁和水平桁材，在其腹板高度

24、上使用两个 单元来表示,底边舱腹板上的网格精细到足以表示腹板开口的形状,主要构 件大肘板的自由边的形状也尽可能与实际一样，避免了由于形状引起的应 力集中，从而保证该区域的结构应力计算有较高的精度。 模型中采用的厚度是设计厚度-0.5 倍的腐蚀厚度。计算有限元模型见 图 7。计算模型有限元厚度分布见图 8、图 9 和图 10。图 11 和图 12 给出 了有限元模型的网格示意图。该计算采用了十分精细的模型网格，因而可 以认为应力计算结果详细而准确 图7：三舱段有限元模型 广船国际股份有限公司 20 图8：三舱段有限元模型厚度1 图9：三舱段有限元模型厚度2 广船国际股份有限公司 21 图10：三

25、舱段有限元模型厚度3 图11：三舱段有限元模型的网格划分1 广船国际股份有限公司 22 图12：三舱段有限元模型的网格划分2 2） 边界条件 根据 JTP 规范附录 B/2.6 关于有限元模型的边界条件的要求，在模型 前后端面中和轴与中纵剖面相交处分别建立一个独立点，使模型前后端面 上的所有纵向单元节点的自由度、与其对应端面上的独立点相关， x y z 模型中通过多点约束(MPC)来实现如图 13 所示，同时沿甲板，内底板和外 底板上的节点施加一端刚固，另一端在总体坐标系 y 自由度上有刚度的弹 簧单元来约束这些构件的；沿舷侧板，内壳纵舱壁和中纵舱壁的垂直部 y 分节点施加一端刚固，另一端在总

26、体坐标系 z 自由度上有刚度的弹簧单元 来约束这些构件的，见表 8。弹簧单元约束如图 14 所示。 z 广船国际股份有限公司 23 簧的刚度公式为： nl EA nl A v E c tk nets tk nets5050 77 . 0 1 弹簧单元可以由杆单元来替代。 图 13：三舱段有限元模型的边界条件 图14：端部模拟图 广船国际股份有限公司 24 表8：模型端部的边界条件 平移旋转位置 后端 后端（所有纵向单元） RL RLRL 后端独立点，见 图 13 固定 Mv-endMh-end 甲板，内底和外板弹簧 舷侧，内壳板和纵舱 壁 弹簧 前端 前端（所有纵向单元） RL RLRL 前端

27、独立点，见图13 Mv-endMh-end 甲板，内底和外板弹簧 舷侧，内壳板和纵舱 壁 弹簧 其中： 不施加约束（自由） RL 刚性连接到中心线中和轴独立点的所有纵向单元的节点 注： 1 所有的平移和旋转位移均按照JTP规范第4/1.4节规定。 2 如未使用，前后端部的独立点在 中是自由的。 3 如未使用，前后端部的独立点在 中是自由的。 4 如未使用弯矩，前后端部的独立点在 和 中是自由的。 5 如使用弯矩作为节点力，前后端部的独立点相应的旋转自由度（即 和/或 ）是自由的。 3） 装载工况和有限元计算工况 在采用 3 维有限元方法对油船船体结构强度进行直接计算时，对于每 种装载工况，需要

28、对几种动载荷工况进行校核，如表 10，每个有限元计算 工况都是装载工况和动载荷工况的组合。本项目对 JTP 规范上要求的所有 装载工况都进行了有限元强度计算。装载工况如表 9 所示 表 9：有限元直接计算装载工况表 广船国际股份有限公司 25 广船国际股份有限公司 26 广船国际股份有限公司 27 表 10：强度评估（有限元方法）的动载荷工况 a） 载荷分类 根据 JTP 规范 AppenxB 规定，采用三维有限元方法对油船船体结构强 度进行直接计算时要考虑的荷载有：船体结构的重量（基于净尺寸） ，货 油舱和压载舱的内部压力（静+动） ，舷外水的压力（静+动） ，船体梁的垂 广船国际股份有限公

29、司 28 向弯矩和剪切力，船体梁的水平弯矩，甲板上的荷载（甲板上的规范最小 静压力+上浪荷载） 。分析时计算荷载、加速度的载荷参数和位置按照 JIP 规范要求，如表 11 所示。加载时，根据单元中心计算所得的压力，以压 力常数加载于单元。 表11：载荷计算时载荷参数的位置参考点 c） 载荷及其组合 根据 JTP 规范的要求，各种装载工况下施加的载荷，见表 12。 d） 船体梁附加弯矩和切力计算 三舱段有限元模型根据 JTP 规范要施加相应的船体梁载荷。船体梁载 荷分为静水载荷和波浪载荷两部分，分别包括静水弯矩、剪力，垂向波浪 弯矩、剪力和水平波浪弯矩、剪力等。船体梁载荷各成分根据装载状况许 用

30、的最大值或规范计算值按照 JTP 规范第 7/6 节的要求进行组合，最终确 定的船体梁载荷加在模型端面的独立点上。 广船国际股份有限公司 29 表12：各种工况下载荷的组合 载荷组合 载荷分量 SS+DA totalv M harbsw M + seasw M wv M - totalh M - h M - Q harbsw Q + seasw Q wv Q - 露天甲板 - dynwdk P - ex P 船体外壳 hys P + hys P dynwv P - 压载舱(顺序交换) + tkin P dyn P floodin P 货油舱(包括压载舱) + tkin P dyn P - 其它

31、液体舱 两式大者： a) testin P b) + airin P drop P + tkin P dyn P floodin P in P 水密边界 - floodin P 干燥区域的内部甲板 stat P + stat P dyndk P - dk P 重型部件处的甲板 stat F + stat F dyndk F - 对施加 JTP 规范要求的边界条件的三舱段有限元模型，除按工况规定 的装载状态进行局部载荷施加外，还需要调整三舱段有限元模型的船体梁 水平弯矩、垂向剪力和垂向弯矩的分布，以使特定位置处达到目标值。弯 矩平衡和剪力平衡的调整见 JTP 规范附录 B/2.5，做法是根据简支

32、梁的原 理，首先求出施加局部载荷所引起的三舱段有限元模型中部舱前后舱壁处 的剪切力、邻近中间处的弯矩、模型两端的支反力，由此得到每档强框架 位置上所要施加的附加垂向分布载荷，按规范要求施加于每档强框架位置 处，以使前舱壁处达到规范规定的目标值。计算出局部载荷包括附加垂向 载荷在内所引起的中部舱最大弯矩，由此得到有限元模型端部的附加垂向 和水平弯矩，施加在模型两端的独立点上，以使中部舱最大弯矩处达到目 广船国际股份有限公司 30 标值。具体做法为求出模型一端到目标位置之间所有单元上作用力或者单 元各节点力(包括三个分量)。然后由积分或求和得出这部分模型的局部载 荷在目标位置处产生的附加船体梁载荷

33、，于是所应该施加的垂向分布载荷 以及附加垂向和水平弯矩也就可以确定了。 4） 应力衡准 JTP 规范规定所有的结构构件按各部分荷载计算得到的应力组合成等 效应力进行校核即 von Mises 应力，本文所给得应力计算结果均为 von Mises 应力。 a） 三舱段有限元应力衡准 根据 JTP 规范 9-/2.2.5 规定对于舱室内部结构以及舱室边界结构构 件的应力屈服因子如表 13 所示。 对于该油船的舱段有限元校核的计算工况都属于静+动的工况组合， 因此对于舱室的内部结构构件其强度应满足屈服因子小于等于 1.0，对于 舱室边界结构其强度应满足屈服因子小于等于 0.9，对于内底、外底、槽 型

34、横舱壁、密性肋板、密性纵桁及腹板应满足屈服因子小于等于 0.8 强度 衡准。 b） 局部模型有限元应力衡准 舱段有限元模型中，如果位于应进行细化网格校核区域的单元 von Mises 应力超出表 13 规定的许用值，则由细化网格分析得到的，面积相当 于舱段有限元模型网格大小的细化网格 von Mises 应力计算结果的平均值 应不超过表 14 规定的许用值。 最大许用应力基于 50X50 的网格大小。如果使用更小的网格，则应根 广船国际股份有限公司 31 据附录 B/3.5.1，用与上述网格尺度面积相当的单元平均 von Mises 应力 与许用应力比较。 表 13：不同部位构件的应力衡准值

35、表 14：细网格分析的最大许用膜应力 广船国际股份有限公司 32 5） 计算结果 该计算采用 Sesam 软件对该 HANDYSIZE 型油船的 3 号、4 号和 5 号三 个舱段进行了基于 JTP 规范的强度计算分析。计算结果分别给出了 JTP 要 求的计算工况下舱段各主要构件的应力计算值。对有限元计算应力结果的 评估分为两部分： a） 三舱段有限元评估 三舱段有限元评估的目的是校核纵向构件、主要支撑构件和横舱壁的 强度。根据 JTP 规范规定，中间舱段（本项目中为四号舱段）由于消除了 边界的影响，其计算结果是可信的，可作为校核的依据。舱段结构的详细 应力分布图示意图详见附录。附录中给出了在

36、计算工况下四号舱段的各主 要部位处应力的最大值及分布位置（包括甲板，内底板，外底板，内舷侧 板，外舷侧板，纵舱壁）以及舱段内其他高应力值及出现的部位。纵观全 部计算结果可以看出： 甲板结构满足强度校核的要求，且材料使用率较高，应力分布呈现与 纵舱壁、舷侧相交的纵向部位处为大应力条形区域的特点。 内底板整体应力水平适中，结构满足强度校核要求。 外底板在货舱中部区域一部分的应力相对较高，但由于是高强度钢 （原因见屈曲校核部分） ，满足强度校核的要求。 外舷侧板、内舷侧板满足强度的校核要求，且材料使用率较高。应力 分布呈现在与甲板、内底相交的附近区域为应力水平较高区域的特点。 水密横舱壁在各计算工况

37、下应力水平居中，满足强度校和的要求，且 材料使用率较高。 在舱段其他部位，甲板横梁端部有一个高应力点，一是由于网格的形 广船国际股份有限公司 33 状不是很好，二是对附近的结构进行了加强，因此不会引起结构的损伤。 计算表明，该油船在危险工况下，按规范要求校核的主要构件如水密 横舱壁、内底板、外底板、内舷侧、外舷侧、甲板的应力水平满足 JTP 规 范的强度衡准要求。 详细的应力分析见附录。 b） 局部模型评估 局部细网格有限元分析的目的是为了校核局部结构应力水平。通过对 该项目三舱段模型计算结果的分析，发现横舱壁的壁墩和纵舱壁的壁墩局 部应力比较高，通过细网格有限元分析，应力水平在表 14 的衡

38、准之内， 满足 JTP 规范的要求。 对普通钢: 不临近焊缝的单元 vm (235 y) /1.00=2351.70=399.5N/mm2 (S+D) vm (235 y) /1.00=2351.36=319.6N/ mm2 (S) 临近焊缝的单元 vm (235 y) /1.00=2351.50=352.5N/ mm2 (S+D) vm (235 y) /1.00=2351.20=282.0N/ mm2 (S) 对高强度钢: 不临近焊缝的单元 vm (235 y) /0.78=301.31.70=512.2N/ mm2 (S+D) vm (235 y) /0.78=301.31.36=409

39、.7N/ mm2 (S) 临近焊缝的单元 广船国际股份有限公司 34 vm (235 y) /0.78=301.31.50=452.0N/ mm2 (S+D) vm (235 y) /0.78=301.31.20=361.5N/ mm2 (S) 通过 Sesam 软件对局部模型进行应力计算，见图 1524。 由计算结果得到： 对纵舱壁的局部模型，最大的合成应力：航行状态下 384 N/ mm2，港 口状态下 325 N/ mm2，他们的应力衡准要求分别为 452.0 N/ mm2，361.5.0 N/mm2。 对横舱壁的局部模型，最大的合成应力：航行状态下 433 N/ mm2，港 口状态下

40、333 N/ mm2，他们的应力衡准要求分别为 452.0 N/ mm2，361.5.0 N/mm2。 由此结果看到是满足 JTP 规范的局部有限元应力的横准。 图15：纵舱壁局部有限元模型 广船国际股份有限公司 35 图16：细网格区域的板厚 图17：细网格有限元区域的材料 广船国际股份有限公司 36 图18：航行状态下的合成应力 图19：港口状态下的合成应力 广船国际股份有限公司 37 图20：横舱壁局部有限元模型 图21：局部有限元模型的板厚 广船国际股份有限公司 38 图22：局部有限元模型的材料 图23：航行状态下的合成应力 广船国际股份有限公司 39 图24：港口状态下的合成应力

41、三 船体梁极限强度及屈曲强度评估 1） 船体梁极限强度及评估 对于极限强度的计算，采用“一步法”进行计算。对于“一步法”要 求的是仅适用于中垂状态下的船体梁极限弯曲能力预以评估和校核，以确 保其符合规范要求的衡准。此衡准适用于在极端海况下的完整船体结构， 并不包括中拱、港内或破损情况。 船体梁极限能力的计算方法是要确定所有主要横向构件的临界失效模 式。对于中垂状态下的油船，临界模式通常（假定）为强框架之间的甲板 结构屈曲。如果结构受压超出了其屈曲极限，则强度就会降低。为确定框 架之间的最弱失效模式，需要考虑各个单独构件的所有相关失效模式。对 于中垂状态下的油船，仅考虑极限垂向弯曲。 广船国际股

42、份有限公司 40 船体梁垂向极限弯曲能力应满足以下衡准： R U sagwvwsws M MM 根据 JTP 规范有关船体梁的极限强度校核有关规定，本项目采用一步 法的极限能力方法进行校核。由 JTP 规范船体梁极限承载能力，由 U M 下式求得： 3 1 10 ydred ZM kNm 2） 屈曲强度评估 对于目标船的船体结构中承受船体梁压应力和剪应力的板材和纵桁， 其屈曲强度评估采用了初步屈曲计算校核方法，初步屈曲计算采用 IACS UR S11 规定的屈曲强度要求。在计算船体梁强度时，分别考虑轴心船体梁 压强和船体梁剪应力。 a） 板的单向屈曲 对板的单向屈曲引入了屈服利用因子的概念，实

43、际的屈服利用因子要 满足以下衡准： allow 其中 allow=0.9（0.5 倍型深以下） ，allow=1.0（0.5 倍型深以上） =/cr =/cr 其中 为实际的压应力，N/mm2；cr 为临界压应力，N/mm2。 为实际的剪应力，N/mm2；cr 为临界的剪应力，N/mm2。 广船国际股份有限公司 41 参考细长比 由下式得出： =（/（KE） ） （1/2） 其中 K 为屈服因子，见表 15；E 为参考应力，N/mm2； E=0.9E（tnet/la）2 其中 E 为弹性模量，206000 N/mm2；tnet 为板格净厚度，mm；la 为 板格长度，mm，见表 15；yd 为

44、规定的材料最小屈服应力，N/mm2。 承受压应力或剪切应力的板格临界屈曲应力，cr 或 cr 分别由下 式计算求得： cr=Cyd cr=Cyd/（3）1/3 其中 C 为折减因子，见表 15 表15：平面板格的屈服因子和折减因子 广船国际股份有限公司 42 续表15 广船国际股份有限公司 43 根据上述公式，对该油船进行板的屈曲校核时，根据船体板结构受力 情况的不同按短边受压曲屈模式、长边受压屈曲模式、剪切应力屈曲模式 分别对船体外板、内底板、甲板、舷侧外板、内壳板、船底纵桁、舷侧平 台部位的板进行了临界曲屈应力的衡准计算。详细的计算结果见附录。 通过对计算结果的分析发现： 非水密强框架除舭

45、部部分不满足外，其他大部分都满足要求。水密的 强框架都满足要求 旁桁材部分不满足屈曲强度要求（LCB3-2） ，需要适当增加板厚。 底部在货舱中间的部分有一部分不满足屈曲强度要求（LCB3-2） ，通 过对比增加板厚、改成高强度钢和在板格中间加骨材之后，最后选在了在 中加部分加一部分高强度钢和加几个短的骨材来解决问题。 内壳舷顶列板最下面一列不满足屈曲强度要求（LCB2-1） ，最后通过 比较，把高强度钢的舷顶列板向下延伸了一列，解决了这一列板不满足要 求的问题。 外壳在货舱中间也有一部分不满足屈曲强度的要求（LCB2-5B） ，通过 对比研究，最后决定局部加厚板厚和加几个短的骨材来解决问题。

46、 其他部分都基本上都满足屈曲强度的要求，详细结果见附录。 四 结论 1） 确定了舯剖面的结构形式和构件布置 收集分析参考船和根据总体性能研究的基础上，通过对 HANDYSIZE 型成品油船标准船型的舯剖面结构形式和布置进行研究，对许多因素，诸 如：货舱舱型、构件骨架形式、纵向连续构件布置、结构材料选取、纵骨 广船国际股份有限公司 44 间距、强框架间距等影响船体结构强度、总纵强度储备和船体结构重量进 行了全方位的考虑、多方案的比较计算分析。通过全面分析计算，确定目 标船主船体结构参数，对于结构优化设计提出了合理的建议。 货舱区典型横剖面结构形式、构件布置： 货舱区船体结构纵向构件材料：为满足总

47、纵强度等要求，除主甲板、 甲板横梁、外壳舷顶列板和内壳舷顶列板采用的 AH32 高强度钢，纵舱壁 下列板、横舱壁、纵横壁墩顶板、壁墩斜板和旁纵桁 920 采用 AH36 的高 强度钢以外,其余均为普碳钢；高强度钢占主船体结构钢料总重的 38%。 货舱区纵骨间距：700mm。 货舱区强框架间距：舷侧肋骨间距为 700mm，强框架间距为 2800mm； 舯剖面纵向构件总纵强度裕度，为满足总纵强度等要求，甲板和底部 的实船剖面模数分别为 13.583m 和 19.972m ，与规范要求的最小剖面模 33 数 11.852m 和 15.195m 的比值分别为 114.6%和 131.4%。 33 货舱

48、区主船体重量较满足以前规范船舶增加约为 10%。 2） 研究确定纵、横舱壁结构形式和构件尺寸 在液舱典型纵/横舱壁设计和优化方面，根据目标船的分舱、舱型设计 和成品油船的设计要求，分别对不同槽深、不同剖面角的垂直槽型纵/横舱 壁进行了设计比较计算和规范强度校核，并根据不同形式的横、纵舱壁结 构重量方面的比较，通过减小结构重量和方便施工等多方面的考虑分析， 确定了本型船的典型纵、横舱壁结构形式和构件大小。 典型垂直槽型横舱壁结构形式：垂直槽型、设置下墩；槽型参数：槽 深 1160mm，面板宽度 1140mm，腹板宽度 1189mm；舱壁构件尺寸：舱 广船国际股份有限公司 45 壁板厚分别为 19

49、.5(AH36)mm。 垂直槽型纵中舱壁：结构形式：垂直槽型、设置上下墩；槽型参数： 槽深 1160mm，面板宽度 1140mm，腹板宽度 1189mm。舱壁构件尺寸： 舱壁板厚分别为：19（A）mm、19(AH36)mm。 3） 应用有限元分析方法计算评估船体结构屈服和屈曲强度 通过根据 JTP 规范要求，建立三舱段结构有限元模型，应用有限元分 析技术，包括载荷计算、加载技术、中部舱段的弯矩和剪力调整技术等， 并根据 JTP 规范的强度衡准进行结构有限元粗网格计算分析、结构屈服和 屈曲强度评估，对初步规范设计结构构件提出进一步的完善和改进建议。 4） 应用“一步法”计算校核船体梁极限强度 根

50、据 JTP 规范要求，应用“一步法”计算中垂状态下船体梁的极限强 度，考虑甲板加筋板格的有效抗屈曲能力，应用船体梁折减后的有效抗屈 曲面积及惯性矩，计算船体梁的极限抗弯弯矩，并根据 JTP 规范衡准要求， 校核中垂工况下的船体梁极限强度安全系数。 5） 应用初步屈曲强度计算方法校核船体屈曲强度 根据 JTP 规范要求，应用初步屈曲强度计算方法校核船体屈曲强度， 分别校核了甲板板、内外底板、舷侧外板、内壳板及槽型舱壁板等板格的 临界屈曲应力，并根据 JTP 规范衡准要求，校核完成船体屈曲强度，通过 适当的构件尺度修改，使目标船的屈曲强度满足规范要求。 四 疲劳评估与节点设计优化研究 对于双壳油船

51、结构的疲劳强度评估有两种方法，分别是“名义应力法名义应力法” 和“热点应力法热点应力法”。名义应力法是基于梁理论的疲劳强度简化评估方法； 对于结构或载荷复杂的关键部位就要采用数值方法（细化网格有限元分析） 广船国际股份有限公司 46 计算疲劳应力和焊趾位置的热点应力，进而分析结构的疲劳寿命，这就是 疲劳强度评估的热点应力法。 1） 纵骨疲劳强度评估名义应力法 纵骨节点是船体结构中比较容易产生疲劳现象的构件，是疲劳校核的 重要组成部分。按照 JTP 规范的要求，采用 DNV NAUTICS 软件对 HANDYSIZE 型成品油船肿剖面上船体纵骨节点进行疲劳校核，评估该船纵 骨疲劳强度特点，提出改

52、善纵骨疲劳寿命的优化结构节点形式。 a） 校核截面、纵骨及载荷确定 纵骨疲劳强度评估所选择的校核截面为肿剖面；纵骨为选择截面上纵 向强力构件。节点为截面和纵骨的交点。考虑内、外、动、静载荷的影响， 研究的实质是在不同装载工况对研究节点静载荷作用下，最终影响在疲劳 分析节点上的动载荷。 b） 应力成分计算和应力组合 应力成分包括整体应力和局部应力，整体应力包括波浪诱导垂直弯曲 应力和水平弯曲应力，局部应力包括外压力和内压力引起的应力。对于外 压力和内压力需分别计算。最后必须通过应力组合计算出用于计算疲劳寿 命的应力范围。 c） 改进节点 纵骨节点疲劳寿命要求大于 25 年，不满足要求的纵骨节点需

53、对纵骨 和横舱壁或强肋框的连接形式作修改。 主要是改进连接肘板的尺寸，通过少许增大肘板尺寸、增加纵骨尺寸 和改变段部连接形式来提高纵骨的疲劳寿命。增加肘板的尺寸可以减小纵 骨跨度，增加纵骨可以使得局部应力下降，改变端部连接形式可以改变纵 广船国际股份有限公司 47 骨的疲劳等级。 通过用 DNV 的 NAUTICUS HULL 软件计算，在计算中发现：如果端 部骨材用到 150mm 以上，疲劳等级就从 F 降低到了 F2，疲劳不满足要求。 后来研究规范看到：“如果附件的长度小于或等于 150mm，S-N 曲线可比 表中规定曲线提高一级。例如，表中所示的 F2 升级成 F。附件长度定义为 焊接于

54、纵向骨材面板上的不扣除扇形孔的长度。 ” （见附录 B-表 C.1.7） 。根 据规范这样的要求，我们把端部的骨材都用到了 150mm，这样底部和内地 骨材的疲劳强度就满足了 25 年的规范要求。但甲板和舷侧的部分纵骨还 是不满足疲劳年限的要求，对其中不满足要求的骨材的端部形式做了适当 的调整，加了两端的肘板，满足了规范的要求。 c） 纵骨疲劳校核结果 在对局部节点进行反复改进设计后，计算舷侧纵骨在相邻强肋框架之 间两端连接节点处的疲劳损伤和疲劳寿命。最终计算结果综合到表 16 中。 2） 热点位置的疲劳强度评估热点应力法 a） 热点应力法校核部位的确定 对双壳油船的结构进行疲劳强度评估，JT

55、P 规范附录 C/2 规定了热点 应力法适用于内底与底边舱斜板的焊接折角处的疲劳分析。该部位的具体 结构形式如图 25 所示。 图25：疲劳热点位置示意图 广船国际股份有限公司 48 广船国际股份有限公司 49 表16：肿剖面纵骨疲劳寿命 广船国际股份有限公司 50 续表16 广船国际股份有限公司 51 续表16 广船国际股份有限公司 52 续表16 广船国际股份有限公司 53 续表16 广船国际股份有限公司 54 续表16 广船国际股份有限公司 55 续表16 广船国际股份有限公司 56 续表16 广船国际股份有限公司 57 续表16 广船国际股份有限公司 58 续表16 广船国际股份有限公

56、司 59 同时，规范规定：在货舱中部强框架上，应对至少一个内底和边舱斜 板折角接头进行疲劳计算，并且仅需计算船体的一侧。 本项目对 FR135 的右舷内底与底边舱斜板的焊接折角处采用热点应力 法进行疲劳强度校核。 b） 结构建模 疲劳评估的热点应力计算要求在高应力集中区使用精细有限元网格。 这种精细网格分析，可以采用独立的精细网格局部有限元模型，并结合舱 段有限元模型得到的边界条件一起进行计算，也可以把精细网格模型嵌入 到舱段有限元模型中进行计算。 根据 JTP 规范对精细网格的单元类型与尺寸大小的要求，在精细网格 区内使用具有弯曲和膜特性的四节点单元；对靠近折角的第一根纵向加强 筋和离开框架

57、的任何短梁和肘板，使用壳单元建模；在疲劳热点位置处的 网格尺寸大小为 tnet50Xtnet50，并且这种网格尺寸在疲劳热点的所有方向上 至少延伸 10 个单元。此外，板材的净厚度的计算也有规定：在疲劳热点 位置所有方向至少 500的范围内，以总厚度减去一半腐蚀余量厚度得到 的净厚度为基础建模；在其它区域，以总厚度减去四分之一腐蚀余量厚度 后得到的净厚度建模。 有限元模型见图 2629： 广船国际股份有限公司 60 图26：热点应力分析局部模型 图27：细网格区域1 广船国际股份有限公司 61 图28：细网格区域2 图29：细网格区域3 广船国际股份有限公司 62 c） 载荷工况 JTP 规范中指出评估疲劳应力范围时仅考虑动载荷，不必包括静载荷。 同时，分别按满载工况和