1、第9卷第3期南通航運職業(yè)技術學院學報V°1.9No.32010年9月JOURNAL0ENANTONGVOCATIONAL&TECHNICALSHIPPINGCOLLEGESep.2010doi:10.3969/j.issn.l6719891.2010.03.008內(nèi)河小型干貨船典型橫剖面結(jié)構分析吳燦'，管義鋒2（1.南通航運職業(yè)技術學院船舶與海洋工程系，江蘇南通226010:2.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003）摘要：文章以內(nèi)河小型干貨船為例，針對鋼質(zhì)內(nèi)河船舶入級與建造規(guī)范（2009）中干貨船的四種典型橫刻面結(jié)構形式進行了有限元分析，所得到的船體結(jié)

2、構有限元分析姑果對同類型的內(nèi)河小型干貨船設計和強度分析有一定的參考價值。關鍵詞：內(nèi)河小型干貨船；船體站構強度;有限元分析中圖分類號:U674.13文獻標識碼:A文章編號:1671-9891（2010）03-0028-0540引言干貨船，又稱普通貨船，是以運載干燥貨物為主，也可裝運桶裝液貨的貨船。目前是長江運輸和京杭運河運輸?shù)闹髁Υ停奸L江船舶總運力的85%左右，承擔著長江干線及京杭運河煤炭、糧食、礦產(chǎn)等物品的運輸任務。有限元法是一種在工程分析中常用的解決復雜問題的近似數(shù)值分析方法，在船舶設計領域越來越廣泛地應用于船體結(jié)構的強度計算及校核。本文調(diào)研了大量內(nèi)河小型干貨船船型特征，針對規(guī)范中干貨船

3、的四種典型橫剖面結(jié)構形式進行了有限元分析，得到了一系列結(jié)論，對同類型的干貨船體平行中體的結(jié)構設計具有較大的指導意義。1規(guī)范依據(jù)1.1大艙口船船體結(jié)構形式根據(jù)鋼質(zhì)內(nèi)河船舶入級與建造規(guī)范（2009）（以下簡稱09規(guī)范）中8.1.1.1規(guī)定，當強力甲板艙口符合221.3要求時，貨艙區(qū)域結(jié)構有以下四種形式:雙舷雙底、單舷雙底、單舷單底和雙舷單底。1,11.2中剖面模數(shù)及腫剖面慣性矩要求船長大于或等于40m的大艙口船,其船體中剖面的最小剖面模數(shù)應不小于式（1）計算所得之值：W=K】Wocm2-m（1）式中：Wo-船長大于或等于50m時,船體中部最小剖面模數(shù)（也稱基本剖面模數(shù)）W°（強力甲板邊線

4、或平板龍骨處），由09規(guī)范中2.2.2.1決定；K系數(shù),按基本結(jié)構形式和船長由表I選取。表1取值范圍基本結(jié)構型式船長范圍（m）Ki40<L<801雙底、雙舷L>80(-783+33.5L-104L2)x10-340<L<601雙底、單舷頂部設抗扭箱La60(-253+28.IL-0.121?)x10"340<L<601單底、雙舷60<L<80(-2534-28.1L-0.121?)xlO-3單底、單舷40<L<60(58+l.O9L)xlO-2收稿日期：2009-12-09作者簡介：吳燦（1985-）,女，江蘇南通人，

5、南通航運職業(yè)技術學院船舶與海洋工程系助教，碩士。在實際的船舶設計中，強度越高越能滿足要求,但也會帶來成本增加、建造困難等問題。如何在滿足強度的前提下選擇合理的結(jié)構形式，是船舶設計中需要重點考慮的問題。本文對某船貨艙區(qū)域的實肋板、橫梁、肋骨和甲板等主要橫向構件進行重點考察，以期對此四種結(jié)構形式船舶的橫向強度大小有所了解，同時結(jié)合規(guī)范要求和有限元計算結(jié)果對這四種方案進行比較。2有限元直接計算本文通過使用MSC.Patran軟件對某60m的干貨船進行有限元建模分析，根據(jù)中國船級社09規(guī)范第14章結(jié)構強度直接計算補充規(guī)定，對60m干貨船在滿載和壓載狀態(tài)下進行貨艙橫向強度計算;嚀跟據(jù)中國船級社船舶結(jié)構直

6、接計算分析指南2003版(以下簡稱指南)要求，對其貨艙區(qū)域主要構件應用直接計算方法進行強度計算，直接計算應符合§指南要求,用三維有限元模型進行散貨船主要構件的強度直接計算,計算載荷計及艙內(nèi)貨物載荷、舷外水鼠荷、端面彎矩。佝2.1船體主要參數(shù)該船為鋼質(zhì)全焊接尾機型干貨船，航行于內(nèi)河水域A、B、C級航區(qū)。主尺度如下:總長60.00m、垂線間長56.90m、型寬11.80m、型深4.30m、設計吃水3.60m、方型系數(shù)0.86、肋距0.50m、170=56.90/4.30=13.23<25.0,B/D=l1.80/4.30=2.74V4.0。2.2計算工況由于該船只有一個貨艙，沒有重

7、壓載、隔艙裝載，因此，本文只考慮滿載出港狀態(tài)和一般壓載兩種工況。(1) 通過式(2)確定艙內(nèi)貨物的壓力：Pi=10pc(l+0.35翔仙kN/m2Cb)式中：Pc貨物密度，t/m3；a0=辛10.75-(3盟L)i5+0.067VVL峋=sin2atg2(45°0.56)+cos2aa為板與水平面之間的夾角;8為貨物的休止角；如為計算點至貨物頂面的垂直距離。(2) 舷外水壓力：滿載工況:滿載工況舷外水壓力由靜水壓力和波浪水動壓力兩部分組成:基線處：Pb=10ds+1.5CwkN/m2；水線處：PW=3CWkN/m2；舷側(cè)頂端：PS=3PkN/m2；甲板上：Pd=2.4P°k

8、N/m2式中：一結(jié)構吃水,m；P°=Cw-0.67(D-ds)；Cw=1075()】s其它狀態(tài)：基線處：PB=10dakN/m2；水線處：Pw=0.0kN/m2式中：底一對應裝載工況下的實際吃水,m(3) 波浪彎矩：Mw(+)=190MCL2BCbx10-3kNmMw(-)=-110MCI?B(Cb4-0.7)x10-3kNm式中：M=1;L船長,m；B型寬,m；豚一方形系數(shù)；C=10.17-(-血-仍2.3許用應力根據(jù)指南規(guī)定，船體主要構件的許用應力為：甲板：220MPa(普通鋼);縱艙壁：235MPa；橫艙壁：175MPa；其他船體結(jié)構：175MPa。2.4有限元建模邊界條件：根

9、據(jù)指南在模型的兩端面中和軸處分別建立剛性點A、B,在剛性點上施加彎矩。艙段模型邊界條件如表2所示。根據(jù)結(jié)構相似性，以保證四種結(jié)構形式的船體重量相近為前提建立有限元模型計算，圖IV為四種結(jié)構的橫剖面所對應的有限元模型圖。圖1雙航雙底結(jié)構模型圖2單液雙底結(jié)構模型表2船段模型邊界條件（載荷對稱）位置線位移約束%角位移約束%中縱剖面一固定固定固定A端面相關相關相關相關B端面相關相關相關相關剛性點A固定固定固定固定彎矩固定剛性點B固定固定固定彎矩固定圖3雙液單底結(jié)構模型圖4單舷單底結(jié)構模型MSCPatran2005。16-Sep)811:4812Fringekorigza.StaticSubca$e_3

10、.StressTensor.vonMises.AtZ13四種橫剖面結(jié)構計算結(jié)果分析以雙舷雙底結(jié)構為例，其在滿載工況下應力云圖如圖5所示。61720】576+00。535*001.493*001.452*OOR41H001I370*00329*0011288*0011247*001J06*00KI65*0011I#I24*00l|824*000l_,4i3*ooaj175X)2Udetautt.Fnnge:Max617*001©Nd2354476-002©Nd35550圖5雙舷雙底結(jié)構應力圖（潢載工況）四種形式的貨艙區(qū)域各主要構件分別在滿載和空載工況下的應力結(jié)果對比分析如下：

11、（1）雙舷雙底結(jié)構。雙舷雙底結(jié)構時，滿載時主甲板受力大于空載,而空載時的艙口圍板、船底、舷側(cè)板的受力均要大于滿載工況,其中艙口圍板處受力最大;（2）單舷單底結(jié)構。單弦單底結(jié)構實際建造時最為方便，但由于結(jié)構形式比較單薄，空載工況整體上受力要大于滿載工況，強肋板處受力最高，比較危險;（3）雙舷單底結(jié)構。雙舷單底結(jié)構與單舷單底結(jié)構的結(jié)果相似，但整體受力有所改善，危險點出現(xiàn)強肋板處。（4）單舷雙底結(jié)構。單弦雙底結(jié)構的最大應力處也出現(xiàn)在強肋板處,主甲板次之。空載受力整體要大于滿載工況。這四種結(jié)構形式的整體比較如表3所示。通過表3中的結(jié)果比較可以看出，在相同材料相同主尺度以及相同受力條件下：（1）不論是空

12、載還是滿載,雙底雙舷結(jié)構所受最大應力均最小，這也符合實際結(jié)果，這種結(jié)構形式強度最大;(2)在主甲板處,雙底雙舷結(jié)構所受應力均最小;在縱骨處，空載狀態(tài)下雙底雙舷所受應力最小,但在滿載狀態(tài)下其所受應力并不是最小;在艙口圍板處，空載，滿載狀態(tài)下單弦雙底結(jié)構所受應力最小;在舶:列板處，雙舷單底結(jié)構在滿載狀態(tài)下所受應力最小;(3)不論是空載還是滿載，單底單舷結(jié)構各構件所受應力均不是最小。這種結(jié)構強度最小,在實際設計時并不推薦。*3四種結(jié)構形式的貨舵區(qū)域各主要構件的應力對比結(jié)果雙舷雙底單舷單底雙舷單底單舷雙底是否滿足規(guī)范滿我空載滿載空載滿載空載滿載空載主甲板61.956.271.3115.670.083.

13、070.2110.0滿足艙口圍板61.794.265.099.556.897.048.259.0滿足舷側(cè)板52.879.362.575.052.783.370.2106.0滿足就列板41.454.345.354.238.748.549.579.5滿足外底板33.557.850.076.547.986.241.868.0滿足強肋板53.470.0120.0131.0108.012258.7117.0滿足船底桁33.561.784.0105.077.810241.859.6滿足縱骨37.961.759.0102.035.768.547.795.5滿足最大應力61.994.2120.0131.010

14、8.0122.070.2117.0滿足4結(jié)束語本文通過Patran軟件建模分析比較了60m干貨船四種典型橫剖面型式，對四種典型橫剖面結(jié)構形式船舶的橫向強度做了全面了解，同時結(jié)合規(guī)范要求和有限元計算結(jié)果對這四種方案進行了比較，得到以下結(jié)論:雙舷雙底結(jié)構型式最安全;空載狀態(tài)下比滿載狀態(tài)下所受到的應力要大，主要是因為船底板受到的貨物壓應力與船底水壓力相抵消造成的;局部構件受力較大，如主甲板，艙口圍板，強肋板等，實際設計時可以考慮予以加強;并且在局部構件處，雙舷雙底結(jié)構所受應力并不是最小。這四種結(jié)構形式各有利弊，但總體上考慮造價和建造工藝等因素，雙底雙殼和雙舷單底較其它兩種結(jié)構形式比較有優(yōu)勢。參考文獻

15、：1中國船級社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶入級與建造規(guī)范S.北京:人民交通出版社,2009.中國船級社.船體結(jié)構強度直接計算指南S.北京:人民交通出版社,2003.3謝永和，王偉.散貨船橫向強度有限元分析J.船舶工程,2007(6):21-23.4張曉君.基于Nastran的船舶局部強度有限元分析幾浙江海洋學院學報,2006(3):6-8.5陳慶強侏勝昌，郭列，等.用整船有限元模型分析方法計算艦船的總縱強度J.船舶力學,2004(1):79-85.TypicalCross-SectionStructuralAnalysisofSmall-sizedCargoShipsinInlandRiversWUCan*

16、,GUANYi-feng2(1.Dept,ofShip&OceanEngineering,NantongVocational&TechnicalShippingCollege,Nantong226010,China;2.SchoolofShip&OceanEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212003,China)Abstract:Takingthesmall-sizedcargoshipsininlandriversastheexample,theFEAwasmadeintermsofthefourkindsofty