滾裝船車輛甲板強(qiáng)度分析

1、船 舶SHIP & BOAT2004年4月第2期April, 2004NO. 2船舶結(jié)構(gòu)滾裝船車輛甲板強(qiáng)度分析蔣志巖古長江（大連理工大學(xué)船舶學(xué)院大連116023）關(guān)鍵詞滾裝船；甲板強(qiáng)度；有限元方法摘 要由于滾裝船裝載車輛的特點，對車輛甲板強(qiáng)度提岀了較高要求。本 文結(jié)合規(guī)范利用大 型通用有限元 軟件ANSYS校核了渤海灣運營的滾裝船車輛甲板強(qiáng)度；在此基礎(chǔ)上，對其中一條船進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，從而論 證了不同車輛參數(shù)對甲板強(qiáng)度的影響。中圖分類號U661.43文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號1001- 9855（ 2004） 02-0020-04Strength analysis for the veh

2、icle decks of Ro-Ro shipJia ng Zhiya n G u Chan gjia ngKeywords : Ro-Ro ship; deck strength ; finite element methodAbstract : T here are m ore requir ements for the strength of ro-ro ship vehicle deck because of its loading characteristics. By using the famous and popular finite element softw are AN

3、 SYS and rules, this paper checks the strength of the decks of ro-ro ships sailing in Bohai Bay. On the basis of these checks, an indepth study is done to one of these ships, which lead to the results of the effects of different vehicles on deck strength.船 舶SHIP & BOAT2004年4月第2期April, 2004NO. 2船

4、 舶SHIP & BOAT2004年4月第2期April, 2004NO. 21冃I言滾裝船是一種能裝載車輛或使用車輛裝卸集裝 箱或托盤貨物的專用船舶，它裝載靈活，具有方便、 快捷的特點，在中短途海上運輸中發(fā)揮著重要作用。 但滾裝船也具有穩(wěn)性差、綁扎要求高的特點；另外由 于其裝載車輛的特點，對車輛甲板強(qiáng)度及總橫強(qiáng)度 也提出了較高要求。滾裝船的安全性較普通船舶有 著更高的要求。由此，于2002年對在渤海灣運營的 滾裝船進(jìn)行了車輛甲板強(qiáng)度及總橫強(qiáng)度的分析工 作。本文對車輛甲板強(qiáng)度分析工作做一總結(jié)。2利用ANSYS進(jìn)行甲板強(qiáng)度計算對于象船舶這樣復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)，無法直接使 用經(jīng)典的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法

5、、彈性力學(xué)方法、板殼理論等 進(jìn)行計算。雖然各船級社都有簡化的校核方法，但那是以精度為代價的。作為一種行之有效的數(shù)值方法 ， 結(jié)構(gòu)有限元分析能更加確切地反映具體船舶結(jié)構(gòu)的 特性和細(xì)節(jié)。而計算機(jī)硬件的迅猛發(fā)展也為這種計 算提供了可能。本文采用著名的大型通用有限元軟 件ANSYS進(jìn)行計算。2. 1建模對船體進(jìn)行有限元分析，必須首先建立有限元 模型,它是根據(jù)船舶的結(jié)構(gòu)形式、受力情況、精度要 求和計算的最終目的，運用結(jié)構(gòu)力學(xué)和有限元知識 ， 對實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，選用適當(dāng)類型的單元加以模 擬而得出的模型。收稿日期2003- 11- 19作者簡介蔣志巖（1970. 9-）,男,漢族,碩士研究生，從事船舶結(jié)構(gòu)

6、可靠性研究。 古長江（1956-）,男，漢族,副教授，從事船舶結(jié)構(gòu)可靠性研 究。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing Houses All rights reserved. http/Aki,net由于是計算車輛甲板的局部強(qiáng)度，考慮到計算 費用和精度，甲板在縱向上取3個車長（按船舶預(yù)計裝載的最大車型），上下各帶一部分舷側(cè)結(jié)構(gòu)作為計 算區(qū)段。為了真實反映結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布狀態(tài) ，甲 板、外板、內(nèi)底板、縱橫艙壁,以及縱桁材、強(qiáng)橫梁、強(qiáng) 肋骨等縱橫骨架的腹板和面板等按空間板殼計算 ， 縱骨、普通橫梁、主肋骨、艙壁扶強(qiáng)材、加強(qiáng)筋

7、等橫剖 面尺寸較小的構(gòu)件取為三維梁單元，并作偏心處理。有限元網(wǎng)格的劃分應(yīng)根據(jù)計算目標(biāo)和精度的要求,過細(xì)會給建模和計算工作帶來困難，過粗又會使計算結(jié)果不能表達(dá)細(xì)部的變形和應(yīng)力。為了保證計 算精度，節(jié)省計算時間，本文采用了變網(wǎng)格剖分技 術(shù)。在應(yīng)力集中部位和應(yīng)力梯度較大的部位采用精 細(xì)的小網(wǎng)格，以真實反映應(yīng)力集中：如甲板等部位。 其它如舷側(cè)、縱艙壁、外板等應(yīng)力變化較緩的部位采 用了較大的網(wǎng)格，并注意到不同網(wǎng)格尺寸的平緩過 渡。圖1,圖2為其中一條船的局部單元網(wǎng)格圖。圖1車輛甲板局部有限元網(wǎng)格圖圖2車輛甲板局部有限元網(wǎng)格圖2.2模型的邊界條件由于是在整船中選取一部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算 ，在 切開處存在著彎矩

8、、剪力、軸力等載荷，合理的做法 是在切開處等效施加這些載荷。但因為本文是分析 車輛甲板的局部強(qiáng)度，應(yīng)用圣維南原理，一種替代的方法是在切開處根據(jù)實際情況施加約束（限制節(jié)點位移）。采用這種方法，在切開舷側(cè)的頂部、底部加上 垂向和縱向（船長方向）約束，在切出部位前后兩端 的甲板平面，限制其橫向（船寬方向）位移。2. 3模型的加載2. 3. 1受力分析車輛甲板除受由于總強(qiáng)度引起的彎曲應(yīng)力外，主要承受車輛對其的作用和結(jié)構(gòu)自身的重量。車輛 對其的作用是通過車輪施加的，這就造成車輛甲板受到的載荷不均勻。從整體上來說，車輛甲板承受的 總載荷并不很大，但車輪下面的壓力很大，其它部位 不直接承受載荷。所以車輪下面

9、部分結(jié)構(gòu)的變形和 應(yīng)力都會很大。當(dāng)車輛甲板受到車輛作用時，會發(fā)生 彎曲變形。支持它們的強(qiáng)橫梁、縱桁、縱骨、橫梁等也 隨之彎曲，這是車輛甲板的主要變形。2. 3. 2輪壓的計算輪壓按靜壓力和慣性力兩部分計算，并分別施加到節(jié)點上。1）靜壓力靜壓力即為車輛及貨物的總重量在 每個車輪上的分配結(jié)果。本文根據(jù)車型及一些經(jīng)驗 數(shù)據(jù)對其進(jìn)行分配，并考慮計算結(jié)果的安全性。2）慣性力 慣性力的計算實際上就是慣性加速 度的計算。慣性加速度乘以質(zhì)量就是慣性力。然后 本文采用與靜壓力相同的分配公式進(jìn)行分配。船舶 運動加速度（垂向、橫向和縱向加速度）的計算是參 照中國船級社船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南（以下簡稱指南）的要求進(jìn)行的

10、，具體的計算步驟可參見 指 南第3章3. 4節(jié)。2.3.3施加載荷載荷由兩部分構(gòu)成：結(jié)構(gòu)自重和輪壓。結(jié)構(gòu)自重在剖分單元（板殼單元、梁單元、管單 元等）后ANSYS自動計算并分配到節(jié)點上。輪壓的施加可按壓力，也可直接施加節(jié)點力，本 文采用在輪印范圍內(nèi)平均施加節(jié)點力的辦法。這里 涉及到輪印大小的計算，輪印寬度取實際車輪寬度， 輪印長度采用如下的經(jīng)驗公式：I = 158 P式中I輪印長度P 輪壓（靜壓力及垂向慣性力之和），t。2. 4許用應(yīng)力根據(jù)中國船級社滾裝船乘運車輛（單車）最大 重量和尺度的核定方法 第2章第4節(jié)2. 4.3. 2（ 2） 的規(guī)定：許用相當(dāng)應(yīng)力e= 180/k N/mm ；許用剪

11、應(yīng)力=94/k N/mm甲板板最大應(yīng) 力發(fā)生在 輪印附近，無輪壓處的甲板 應(yīng) 力 10 M Pa。,其中k為材料修正系數(shù)（對于普通鋼，k= 1;對于咼強(qiáng)度鋼，k 1） o2.5計算結(jié)果表1是所計算船舶的主尺度和主要參數(shù)，表2 為計算結(jié)果。其中甲板板上的最大應(yīng)力多數(shù)都超過 了許用應(yīng)力，縱骨上的最大應(yīng)力也都較大，在這里列 出來只是提供一個參考，在實際校核中，車輛甲板結(jié) 構(gòu)的甲板板、甲板縱骨（橫梁）是按中國船級社鋼質(zhì) 海船入級與建造規(guī)范（2001）（以下簡稱規(guī)范）的 要求進(jìn)行的，在第4節(jié)將討論這一做法的合理性。船 舶SHIP & BOAT2004年4月第2期April, 2004NO. 2船

12、 舶SHIP & BOAT2004年4月第2期April, 2004NO. 2序號12345678d (M pa)195212188152221192175175g( M pa)159172160130171155145150L (M pa)1701681931881951761521553）當(dāng)車輛甲板多于一層時，表中僅給岀了裝載能力最強(qiáng)的一層甲板表2甲板強(qiáng)度的計算結(jié)果注:1） D 甲板上的最大相當(dāng)應(yīng)力；G強(qiáng)橫梁或縱桁上的 最大相當(dāng)應(yīng)力；L 縱骨（或橫梁）上的最大相當(dāng)應(yīng)力。圖34號船”橫剖面圖表1計算船舶的主尺度和主要參數(shù)序號L oa( m)Lbp(m)B ( m)d ( m)V (k

13、n)t (mm)Cbs (mm)l ( mm)W (cm甲板縱骨上的最大應(yīng)力發(fā)生在輪印附近縱骨與橫梁交接處,其它位置應(yīng)力 50 M Pa。 為了具有可比性，許用應(yīng)力都取為普通鋼，而將計算所得應(yīng)力乘以材料修正系數(shù)ko)M (t)171. 576513. 63. 515. 914. 50. 6845702 500177602114. 8810519. 05. 617. 012. 50. 6018005 250728453115. 6310921.04. 519. 011. 50. 5837003 500350454116. 5310518. 04. 518. 614. 00. 5547503 25

14、0326355130. 9511820. 05. 616. 012. 00. 5937203 400260506134. 8012523.45. 820. 013. 50. 6157802 475247607142. 4913123. 55. 519. 015. 50. 5136254 200721508157. 9014224. 05. 916. 018. 00. 856002 10070注:1）Loa 總長;Lbp 垂線間長；B 型寬；d吃水;t 甲板板厚；Cb方形系數(shù)；骨材間距;l 骨材 跨距；W骨材剖面 模數(shù)；M 車輛與所裝載貨物的總 質(zhì)量。2）除第3號船的甲板為AH32的高強(qiáng)度鋼外，

15、其它均為船用普通鋼。船 舶SHIP & BOAT2004年4月第2期April, 2004NO. 2船 舶SHIP & BOAT2004年4月第2期April, 2004NO. 23對第4號船的進(jìn)一步分析為了了解網(wǎng)格大小是否合適,不同輪距、軸距、 車距、輪壓對甲板強(qiáng)度的影響，在上述計算的基礎(chǔ) 上,本文對4號船進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。4號船是一 艘近?？蜐L船，雙層底單殼結(jié) 構(gòu),共有兩層連續(xù)甲 板，由內(nèi)底向上依次為 C甲板，B甲板，其中C甲板 為車輛甲板。本船為混合式結(jié)構(gòu) ：各層甲板、內(nèi)外底 板均為縱式結(jié)構(gòu)，舷側(cè)為橫式結(jié)構(gòu)。在內(nèi)底與 C甲 板之間設(shè)有支柱。一般情況下，C甲板在寬度上可排

16、_為了節(jié)省計算費用，在原模型的基礎(chǔ)上，取一個 車長作為新的計算模型，將切開處的位移作為邊界 條件施加在該模型上。表 3、表4是計算結(jié)果。由表3可知，以75 mm網(wǎng)格尺寸的模型為 基 準(zhǔn),150 mm網(wǎng)格尺寸的模型的誤差為2. 6% ,在工程誤差允許的范圍內(nèi)，這說明150 mm網(wǎng)格尺寸對 于計算來說是合適的。表3不同網(wǎng)格尺寸的計算結(jié)果網(wǎng)格尺寸（mm）最大相當(dāng)應(yīng)力（MPa）誤差1501522. 6%75156ng Mouse, All rights itsetved,.n亡表4變換車輛參數(shù)的計算結(jié)果序號軸距(mm)輪距(mm)車距(mm)輪壓(kN)p(MPa)g(M Pa)113 0002 20

17、03 7001700015513231 80014912843 000157151534.3275131634.3280240751.45410360注：1）表中”表示與第1項內(nèi)容相同。2）第5項是通過改變 車輪的數(shù)目改變輪壓,第6、7項是 通過改變車重改變輪壓。3）p 甲板上的最大相當(dāng)應(yīng)力；g強(qiáng)橫梁或縱桁上的 最大相當(dāng)應(yīng)力。從表4可以看出，甲板板的最大應(yīng)力與輪壓大 致呈線性關(guān)系，其它參數(shù)對它幾乎沒有影響；對于縱 桁和強(qiáng)橫梁，跨距內(nèi)的輪壓對其影響最大，總體載荷 也對其有較大影響。4關(guān)于車輛甲板強(qiáng)度的一些討論通過以上的計算，本文對滾裝船車輛甲板強(qiáng)度 分析工作做了一些定性

18、的討論。1）車輛甲板承受的總載荷并不很大，但載荷分布極不均勻，總體應(yīng)力水平較低，而車輪下面部分結(jié) 構(gòu)的變形和應(yīng)力都很大，使得其局部強(qiáng)度變得較為 突出。2）本文選取的網(wǎng)格尺寸是合適的，即一般選為 縱骨間距的1/51/4。3）對甲板板和縱骨（或橫梁）的強(qiáng)度影響最大的 是車輪的輪壓，而輪距、軸距、車距等影響較??；對于 縱桁和強(qiáng)橫梁，跨距內(nèi)的輪壓對其影響最大，總體載 荷也對其有較大影響。對于車輛甲板的局部強(qiáng)度來說，強(qiáng)橫梁和縱桁 的剖面尺寸都足夠，影響其強(qiáng)度的主要是其端部的 細(xì)節(jié)，如是否有良好的過渡，肘板的大小及形式是否 合理等。4）從計算結(jié)果中可以看出，最大應(yīng)力常常出現(xiàn) 在輪印處，所以縱骨（或橫梁）的

19、規(guī)格、間距和甲板板 厚的選取以及它們之間的匹配在設(shè)計中應(yīng)予以足夠 重視。5）直接計算中使用的加速度計算是參照指南 © 1994-2010 China Academie Journal lkctronic I進(jìn)行的，計算結(jié)果與實船經(jīng)驗數(shù)據(jù)相比明顯偏大。指南中的加速度是用來進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核的，是基于10- 8的超越概率水平的，也即在船舶20年的航行中 出現(xiàn)一次的最大加速度值，并且未對所適用的海況 和船型加以限制。將利用指南進(jìn)行計算的加速度 結(jié)果用于本文的直接計算中顯然是偏于保守的。例 如對于一艘長為150 m，寬為20 m的船舶，根據(jù)指 南提供的最大橫搖角和最大縱搖角，橫傾和縱傾分 別為10.0 m和20. 9 m。在這種海況下，滾裝船不可 能營運，所以計算加速度可考慮適當(dāng)降低。更合適的用于滾裝船結(jié)構(gòu)分析的加速度的計算 方法，有待于進(jìn)一步的探討和研究。6）輪印尺寸是根據(jù)經(jīng)驗公式計算的，經(jīng)與