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宽扁肥大型江海直达船结构强度探析

作者:姜伟1,裴志勇2,吴卫国2 文章来源:中国水运杂志 日期:2017年06月20日

摘 要:本文以一宽深比达2.98的宽扁肥大型江海直达多用途船为研究对象,针对其超出现有规范宽深比的要求,没有适用规范的现状,对其进行了载荷直接计算和结构直接计算分析,保证了所设计船体结构的安全可靠性,对于宽扁肥大型江海直达船舶的船体结构设计具有重要的参考价值。

关键词:江海直达运输;船舶结构强度;载荷;关键技术

中图分类号:U663 文献标识码:A  文章编号:1006—7973(2017)01-0055-05

1 研究背景

长江,同黄河一样,是中华民族的摇篮,中国文化的发源地,被誉为中国的母亲河。她横贯中华大地,日夜奔腾不息,迄今已有两亿多岁。2013年,长江干线货运量达19.2亿吨,连续9年排世界内河货运量第一,长江沿线集聚了全国40%以上的经济总量。随着“长江黄金水道建设”、“一带一路建设”等国家战略的实施,武汉新港长江航运中心及国际口岸的建设,为长江航运、节能环保江海直达船型开发迎来了大好的发展契机。

江海直达运输由于减少中间环节、消除了货物损耗、大幅降低运输成本且提高运输效率而深受船东和货主的欢迎。早在20世纪20年代,欧洲的封闭水域与内河之间就出现了现代江海直达运输方式的雏形。中国学者在20世纪50年代就对江海直达运输的合理性进行了论证和探讨,相继研发成功5000t油船航行于湖南长岭至大连及日本航线,5000吨级秦皇岛直达武汉的煤炭运输船。江海直达船舶的载货量由当初的几百吨发展到如今的8000吨甚至10000吨及以上。

由于长江是自然航道,船长、吃水受限,型深受桥梁净空高制约,大型化唯有增加船宽。而且为提高装卸效率,往往都要求长大开口,这使得本来总强度就偏弱的宽扁型船更是雪上加霜。在本文中,对武汉-宁波舟山航线新开发宽扁肥大型江海直达多用途船结构强度进行了研究。由于无合适规范可用,采用波浪载荷直接计算和结构强度直接计算方法对该船结构强度进行了校核。

2 江海直达船现状及关键技术

2.1 江海直达船现状

目前,长江上航行的江海直达船舶普遍吨位较小,完全按海船设计,没有考虑江海通航航线的水文气象条件,从而导致结构笨重,性能上既没有发挥海船的优势,也没有内河船的优势,船型尚有待进一步的优化。再者,随着长江航道的改善、沿江港口装卸能力的提高,对江海直达运输船大型化的要求越来越强烈,现有的船舶不能充分满足这种要求。还有,现有船舶老龄化严重,节能环保技术应用不足,这显然不能适应现今节能减排的要求,无法满足长江“黄金水道”建设的需要,制约着航运业的发展。

2.2关键技术及结构特点

基于广泛的市场调研,通过开展经济性分析、适航性能和结构安全性能研究,以装载量大、油耗低、节能环保为目标,开发出宽扁肥大型节能环保江海直达多用途船。采用理论分析、数值计算和模型试验相结合的研究方法,攻克宽扁、浅吃水船型在安全技术、节能技术、绿色技术应用等方面的关键技术问题,以达到安全、降耗和环保的目标。解决了现有江海直达船存在的如下问题:

(1)首部砰击;

(2)按海船设计导致空船重量过大;

(3)结构安全裕度(结构极限承载能力与所受外载荷的比值)提高;

(4)现有船型不能完全适应航道、港口等通航基础设施;

(5)节能环保技术应用不足。

设计船的总长为136.5m,垂线间长130.0m,型宽25.6m,型深8.6m,吃水5.5m(结构吃水6.3m),主尺度见表1。采用双底双壳结构,双层底高1.5m,双壳宽2.6m,双壳间设两层平台,分别距基线3.8m和6.3m。该船的型宽型深比(B/D)达到了2.98,超出了当前中国船级社海船规范规定的B/D 不大于2.5的规定。宽扁型船跟常规船相比总纵强度偏弱,这些给合理安全可靠的船体结构设计带来了巨大挑战。

表1 宽扁肥大型江海直达船主尺度

总 长: LOA 136.50 m

垂线间长: LPP 130.00 m

型 宽: B 25.60 m

型 深: D 8.60 m

设计吃水: d/ds 5.50(6.30) m

货舱开口: b 20.40 m

型宽型深比: B/D 2.98

3 载荷直接计算

江海直达航线涵盖从内河至入海口的江段以及从入海口至沿海港口的海段,船舶在江段由于风浪较小,所遭受的波浪载荷也较小,因此江海直达船在寿命周期内遭受的波浪载荷具有间歇性。这与内河船和海船均有显著的不同,而且该船的宽深比B/D为2.98,传统规范规定的波浪载荷计算和结构强度衡准均不再适用,需通过载荷和结构直接计算来确定各构件尺寸。本节中先根据船舶航行的航线状况来确定波浪载荷的概率水平,随后选取能反映航区特征的波浪谱,根据该航区的波浪散布图进行波浪载荷长期预报,得到等效设计波高,然后按等效设计波理论进行载荷直接计算。将载荷直接计算得到的结果施加到整船结构模型上,考虑船与波浪间不同角度引起的最大垂向弯矩、最大水平弯矩以及不同位置最大扭矩等各种工况,分别进行结构直接计算分析,使得结构强度满足安全使用要求。

3.1 波浪载荷概率水平

本文所研究的江海直达船大部分时间航行于内河水域,海上航程较短,因此确定的波浪载荷超越概率水平要能恰当反映航线的特点和船舶营运的实际情况。所谓超越概率水平,即为超越该目标长期极值的概率,它的选取与船舶在设计寿命期内的波浪载荷循环次数密切相关。因而,在确定长期预报超越概率水平前,先需确定船舶在设计寿命期内的波浪载荷循环次数,那么波浪载荷长期极值的超越概率水平即为循环次数的倒数。

江海直达船的设计寿命设定为25年,计7.884x108秒。根据我们的调研来看其年均在航率为75%,即寿命期内航行5.913x108秒。该船江段占到了81%以上,海段不超过19%,海段航行时间约为1.123x108秒。结合E1海区的波浪散布图中波浪的跨零周期的分布,该船整个寿命期内波浪载荷循环次数为18780000次,其设计波浪载荷长期极值的超越概率水平为10-7.28。计算过程中,为保留一定的强度储备,取波浪载荷的超越概率水平为10-7.3。

3.2 波浪谱的选择

波浪谱反映了一个海域内的波浪能量分布特性。对于船舶波浪载荷统计预报来说,最好是用代表该船舶活动海域海情的实测波浪谱去估算其响应。目前常用的波浪谱有Pierson- Moskowitz谱(简称P-M谱)、ISSC双参数谱和JONSWAP谱等。P-M谱是由充分成长的风浪观测谱拟合而得到的,较适用于充分发展的海浪;ISSC双参数谱不仅适用于充分发展的海浪,也适用于成长中的海浪或由涌组成的海浪;而JONSWAP谱是“北海联合海浪计划”(JONSWAP)对有限风区的海浪进行系统观测提出的一种谱,适用于表示成长状态的海浪。本文研究的江海直达船舶航行的海段为E1航区,为有限风区的成长状态的海浪,采用适合于近海或遮蔽海域的JONSWAP谱较为合适。

3.3 波浪散布图

该船航行于武汉到宁波舟山,海段为东海E1航区,其波浪散布图如表2所示。

表2 E1航区波浪散布图

合计

有效波高(m)

7 97 274 311 197 82 25 6 1 + 1000

>9 + + + +

7.5~9 + + + + 1

6~7.5 + 1 2 1 + 4

5~6 + 2 4 2 1 + 10

4~5 + 3 10 9 3 1 26

3.25~4 2 12 19 10 3 + 46

2.5~3.25 1 12 32 30 14 4 1 + 95

1.85~2.5 5 33 56 39 15 4 1 + 152

1.25~1.85 + 16 65 78 42 14 3 1 + 219

0.85~1.25 1 23 63 58 26 8 2 + 181

0.5~0.85 2 27 57 44 18 5 1 + 155

0.1~0.5 3 25 40 26 10 3 1 + 108

0~0.1 + 1 1 1 + 3

平均跨零周期(s) <3.5 4 5 6 7 8 9 10 11 12 合计

注:+表示大于0.1但小于0.5。

3.4 外载荷计算

外载荷计算时,往往把船体看作刚体,建立仅外壳的湿表面模型和包括所有构件的质量模型,计算指定波浪条件下沿船体表面的压力分布和相应的船体运动,将运动引起的惯性力也当做外力,与船体表面的压力合在一起,成为作用于船体的外载荷。

3.4.1 载荷计算模型

由于载荷计算时把船体视为刚体,不考虑船体变形对载荷结果的影响,仅需要船体外壳的板元模型。为了最大限度地减少载荷转换导致的误差,载荷计算用外壳模型的网格尽可能的与结构计算模型一致。载荷计算时,只计算水线以下单元上的波浪动压力,认为水线以上单元不受力。

3.4.2 质量模型

众所周知,船体的浮态取决于其质量分布,进而影响其所受的压力或力。因此,必需模拟特定载况下实际的质量分布。先把除主机、舱口盖等较大质量的设备以外的空船质量沿船长方向分20段,通过改变密度的方式分段模拟空船质量分布;主机、舱口盖等重设备按其作用区域以质量点的形式分布到相应位置上;货物质量也是按其作用区域,分布到相应构件上;油、水的质量是通过改变相应油舱或水舱结构密度的方式施加到相应区域。最后,检查建立的三维质量模型的重量重心位置是否与装载手册一致,尤其是重心纵向位置,如果误差在1%以内,认为基本与实际状态相符,可进行载荷计算;否则,需检查误差产生的原因,进行修正,直到满足要求为止。

3.4.3 波浪载荷长期预报

利用DNV-GL船级社开发的SESAM软件中波浪载荷计算模块WADAM,采用E1航区波浪散布图作为波浪载荷长期预报的标准海况,选用适合于近海或遮蔽海域的JONSWAP波浪谱,波浪载荷的超越概率水平定为10-7.3,考虑满载和压载两种典型装载工况,进行波浪载荷长期预报,可得到等效设计波高。相应的船舶运动参数与波浪载荷响应参数的取值如下:

Ÿ 波浪频率范围从0.1到2.0,间隔0.1,波浪频率数共20个;

Ÿ 浪向角从0°到180°,间隔30°,共7个浪向;

Ÿ 计算航速取为零,水深为无限水深。

波浪载荷长期预报极值、单位波高响应以及对应的等效设计波高如表3所示。

表3 波浪载荷长期预报结果

工 况 浪向

(°) 频率

(rad/s) 单位波高响应

(N-m) 长期预报峰值

(N-m) 等效设计波高

(m)

满载 180 0.647 8.396e7 4.750e8 5.66

压载 180 0.688 7.698e7 4.612e8 5.99

3.4.4 外载荷计算

在得到等效设计波高后,可按设计波理论进行船体外载荷计算。根据所研究的江海直达多用途船的结构特点,选取满载状态的五个典型工况来计算,即最大垂向波浪弯矩工况、最大水平波浪弯矩工况、L/2处最大扭矩工况、L/4处最大扭矩工况和3L/4处最大扭矩工况。具体计算工况如表4所示。

表4 典型计算工况

LC1 LC2 LC3 LC4 LC5

最大垂向波浪弯矩 最大水平波浪弯矩 L/2处最大扭矩 L/4处最大扭矩 3L/4处最大扭矩

4 结构强度直接计算

宽扁型大开口江海直达船在斜浪中航行时会同时受到弯矩和扭矩的作用,而且在装载集装箱时,由于每个集装箱载货的重量会有差异,还会因装载不均衡而产生货物扭矩,因此,为确保船体结构安全,需校核其在弯扭组合状态下的强度。鉴于此,在本文研究中建立整船有限元模型,将直接计算得到的载荷施加到模型上,进行整船弯扭组合强度计算及校核。

4.1 计算模型及边界条件

取整个船长、船宽和型深范围内的,不考虑上层建筑的主船体结构建立三维有限元模型。x轴为船长方向,朝船首为正;y轴为船宽方向,朝左舷为正;z轴为型深方向,向上为正,原点取为0号肋位中纵剖面船底基线处。网格大小基本为纵骨间距或肋距,板格采用板壳单元(shell)来模拟,加强筋用梁单元(beam)模拟,总共有55,646个节点,85,440个板单元,35,587个梁单元。

作用于船体外壳上的压力跟船体运动引起的惯性力是一对平衡力系,但实际上由于计算误差等各种原因,往往会有较小的不平衡力。为了确保计算顺利进行,消除船体刚体位移,在首端节点约束纵向、横向和垂向线位移(即 ),在船尾中纵剖面处约束其横向线位移( ),在船尾两侧对称节点位置约束垂向线位移( )。

4.2 计算工况

参照中国船级社集装箱船结构强度直接计算指南的要求,选取满载状态的五个计算工况(如表4所示)进行分析。

4.3 结构直接计算结果

将各计算工况载荷直接计算得到的外力和船体运动引起的惯性力一起施加到整船结构有限元模型上,即可进行结构直接计算分析,得到各计算工况船体结构主要构件的应力分布情况。

各计算工况下各主要构件的最大合成应力如表5所示。在LC1工况(最大垂向波浪弯矩工况),最大合成应力发生在中部货舱和尾部货舱相连区域的甲板、内壳板和舱口围板趾端连接处,一方面该区域受到较大的垂向弯矩的作用,另一方面舱口围板在该处不连续导致应力集中的发生。在LC4工况(L/4处最大扭矩),在垂向弯曲和扭矩的共同作用下,再加上舱口围板的不连续导致了右舷的中部货舱和尾部货舱相连区域的甲板、内壳板和舱口围板趾端连接处会出现应力较大情况。

表5 波浪工况各主要构件的最大合成应力(单位:MPa)

工况 船底板 内底板 船底纵桁 船底纵骨 内底纵骨 舷侧外板 内壳板 甲板 舱口围板 横舱壁

LC1 142 97.5 125 174 22.8 203 315 315 315 154

LC2 125 72.1 82.2 90 42.9 104 133 136 129 88.1

LC3 170 120 121 182 45.6 167 241 241 228 118

LC4 195 133 136 189 53 200 284 284 284 143

LC5 129 93 97.9 152 34.3 134 217 217 222 97.2

4.4 结构强度衡准

按照中国船级社集装箱船结构强度直接计算指南的规定,整船模型计算时,各板材的许用应力为190/K MPa,局部应力集中处的许用应力为235/K MPa,K为材料系数,对于屈服应力为355MPa的高强度钢,K取0.72。因此,本研究中高强度钢(屈服应力355MPa)板材的许用应力为264MPa,局部应力集中处的许用应力为326MPa;普通碳素钢板材的许用应力为190MPa,局部应力集中处的许用应力为235MPa。

船底板、甲板、舱口围板和舷顶列板以及内壳顶列板等均采用高强度钢(屈服应力355MPa),除LC1工况和LC4工况外,板材的最大应力为228MPa,小于高强度钢板材许用应力264MPa,满足结构强度衡准要求。LC1工况和LC4工况最大应力分别为315MPa和284MPa,位于甲板、内壳板和舱口围板连接处,属于局部应力集中,其许用应力应为326MPa,也可满足结构强度衡准要求。其余普通碳素钢构件,如内底板、船底纵桁、船底纵骨、内底纵骨和横舱壁等,其最大应力为189MPa,小于许用应力190MPa的要求,也可满足结构强度衡准要求。

因此,根据结构直接计算结果,该宽扁肥大型江海直达多用途船结构强度满足规范要求。

5 结论

本文以一宽深比达2.98的宽扁肥大型江海直达多用途船为研究对象,针对其超出现有规范宽深比的要求,没有适用规范的现状,对其进行了载荷直接计算和结构直接计算分析,以确保所设计的船体结构安全、合理、可靠。首先根据其航线和营运特点确定合理的波浪载荷超越概率;采用所航行海段航区的波浪散布图,按照确定的波浪载荷超越概率,进行波浪载荷的长期预报值,得出等效设计波高;然后按等效设计波理论分别计算五种典型工况的外载荷分布;将各工况下载荷直接计算结果施加到整船结构有限元模型上,进行结构强度直接计算分析,得到各计算工况下各构件的应力分布,据此进行结构强度校核。

本文的研究,包括载荷直接计算和结构强度直接计算分析,保证了所设计船体结构的安全可靠性,对于宽扁肥大型江海直达船舶的船体结构设计具有重要的参考价值。

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