146.9m近海多用途船货舱横向强度计算
程明超
摘 要：根据 CCS《国内航行海船建造规范》2018及其修改通报的要求，当一个货舱的长度超过0.15L或30m（取大者）时，横向结构应予以加强，并提交相应的技术支持文件。本文选取146.9m近海多用途货船为研究对象，根据规范要求，利用有限元软件进行货舱区域船体结构横向强度计算分析。结果表明，该船货舱区域的船体强度满足规范要求。
关键词：多用途船;有限元计算;横向强度
中图分类号：U674.13 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）05-0115-03
多用途船是一种能载运杂货、散货及集装箱等多种“不确定性”貨物的船型，载运高效，使用简便[1]。该类船在总布置上有如下特点：一是型宽常比普通货船要大，因要使用大舱口以提高集装箱的载运能力。二是为了便于装载多种货物，货舱内常设置二层甲板。三是一般均设置舷边舱，且多作压载舱用。随着当前航运市场的复苏，多用途船日益变成船东较为青睐的主力船型之一[2]。
《国内航行海船建造规范》[3]2018 及其 2019、2020 年修改通报第 2 篇 2.12.1.3（2）的规定，货舱舱壁应均匀地间隔设置。当一个货舱的长度超过 0.15L 或 30m（取大者）时，横向结构应予以加强，并提交相应的技术支持文件。本船为146.9m的国内航行近海多用途船，现对其货舱区域船体结构进行横向强度计算，验证船舶的结构强度，从而保证船舶的安全性[4][5]。
1船舶主要素
本船为钢质、单甲板、尾机型、单桨、单舵，由柴油机驱动的近海航区多用途船。具有球尾和垂直球鼻首线型。上甲板艏部设艏楼，尾部上甲板以上设有六层甲板室。本船设双层底舱和边舱用作压载水舱。船舶总长为149.8m，设计水线长为149.3m，垂线间长为146.9m，型宽为22.5m，型深为11.3m，设计吃水为8.1m，设有3个货舱，其中No.1货舱长37.88m，No.2货舱长37.730m，No.3货舱长25.24m。
2有限元模型
本计算使用通用有限元软件 PATRAN-NASTRAN 进行建模并计算。本船有限元模型原点位于 Fr62，基线与船体中心线交点处。
2.1模型范围
本模型为 NO.1 货舱区的 1/2 个货舱+NO.2货舱区的1/2个货舱，结合本船的具体情况，本模型模拟 1/2个 NO.1货舱+1/2个NO.2货舱;垂向范围为船体型深，即从船底外板到舱口围板顶部;考虑到本船主要构件和载荷对称于纵中剖面，则模型横向范围为船体结构的左舷。
2.2船体板材和型材等构件模型处理方法
甲板板、外板板、内底板、横舱壁板和纵舱壁板等板材采用4节点板壳单元模拟，在过渡区域采用少量三角形单元;甲板、内底板、船底外板、内壳纵壁、舷侧外板、横舱壁等板材上的纵骨、扶强材等采用梁单元模拟，并考虑偏心的影响;纵桁、强横梁等主要构件的面板和加强筋采用杆单元模拟;横舱壁上的水平桁材等高腹板采用4节点板单元模拟。结构尺寸采用船舶建造厚度。
2.3网格划分
沿船体横向按纵骨间距划分，纵向每档肋距划分1个单元格;舷侧外板、内壳纵舱壁、甲板板垂向按纵骨间距划分。横舱壁垂向按舷侧纵骨间距划分，横向按内底板纵骨间距划分。肋板、桁材、舱口围板在垂直方向上划分 3个单元，横舱壁底部采用四边形单元，并接近正方形，在过渡区域采用了少量三角形单元;有限元模型见图1。
2.4材料参数
钢材：弹性模量E=2.06e5 MPa，泊松比v=0.3，重量密度 p=7.85e-6 t/mm3。
2.5边界条件
本船载荷左右对称，则中纵剖面内节点的横向线位移为0，绕纵中剖面内两个坐标轴角位移为0，即：δy=θx=θz=0。端面 Fr62 点约束δx、δz、θy、θz;Fr120点约束δz、θy、θz。
3计算工况及设计载荷
3.1计算工况
根据 CCS《国内航行海船建造规范》第八章附录一的规定及稳性计算书的实际装载状况，计算工况选取四种典型装载工况，具体计算工况见表1。
3.2设计载荷
3.2.1液舱内液体压力
液舱内液体产生的侧向压力P按此式计算：。
式中ρ=1.025 t/m3 为海水的密度，g=9.81 m/s2为重力加速度，fr=0.9为近海航区系数，h为压力计算点量至液舱顶的垂直距离，或量至溢流管顶垂直距离的一半，取大者。
3.2.2货物压力
根据《散货船结构强度直接计算分析指南》第3章，货舱内货物压力为。
3.2.3舷外水压力
根据《国内航行海船建造规范》（2018 及 2019 修改通报）中第 2 篇第 12 章附录 2.1.2 规定，舷外水压力由静水压力和波浪水动压力两部分组成。其中基线处：，水线处：，舷侧顶端：。式中：; 。
4应力衡准及计算结果
本船采用普通钢，其材料换算系数K为1.0。根据规范规定，外板、内底板、舷底纵桁、实肋板、强横框架的许用应力为175/243（AH36）N/mm2，横向构件和纵向构件上的梁轴向应力的许用应力为175/243（AH36）N/mm2。
根据规范要求，经计算，本船船体结构强度在各个载荷工况下，均满足规范的要求。计算结果见表2-5。
5结论
根据 CCS《国内航行海船建造规范》2018 及其 2019、2020年修改通报第 2 篇 2.12.1.3（2）的规定以及《散货船结构强度直接计算分析指南》的要求，经计算，本船货舱区域船体结构强度在各个载荷工况下，均满足规范的要求。
参考文献：
[1]陈方，李中扬.24000DWT多用途船结构设计[J].船舶设计通讯，2011（S1）：38-43.
[2]周晓明，陈麟.36000DWT多用途船结构设计[J].船舶设计通讯，2019（S1）：65-71.
[3]中国船级社.国内航行海船建造规范[M].北京：人民交通出版社，2018.
[4]许君林.109.8m沿海甲板货船横向强度计算[J].中国水运（下半月），2020，20（06）：1-3.
[5]许君林.58m起重船有限元强度计算[J].中国水运，2020（03）：78-80.
