万吨级超大型矿砂船全船结构有限元分析.docVIP

——————————————————————————————————————————————— 45万吨级超大型矿砂船全船结构有限元分析 2010年6月2日 摘要：超大型矿砂船由于船体结构的特殊性和船体本身的超大型化，使船体强度校核很难用常规规范中的梁理论方法或舱段有限元计算确定。在研究超大型矿砂船全船分析的基础上，探讨了超大型矿砂船全船结构有限元模型和质量模型的建模方法、波浪载荷和舱内货物载荷计算方法及解决全船载荷动态平衡的惯性平衡处理技术。以一条45万吨级的超大型矿砂船为例，完整实现了全船有限元分析全过程，计算出各个工况下的船体变形和应力，对正确地进行超大型矿砂船全船结构强度直接计算具有指导作用。 关键词：超大型矿砂船；全船结构；矿砂载荷；惯性平衡；有限元分析0引言 超大型矿砂船ULOC(UltraLargeOreCarrier)拥有巨大装载容量，在世界航运业高速发展的新时期具有广阔的市场前景，而我国现已成为世界上最大的铁矿石消费国，因此研究和开发超大型矿砂船，对实现我国船舶工业“国轮国造”、“国能国解”的目标具有重要而现实的意义。 超大型矿砂船在结构上与传统的散货船有较大的差异，其典型横剖面具有鲜明的特点，且船体本身超大型化的要求使得其结构性能备受关注。对于这类超尺度新型船舶，传统船舶设计规范中的强度校核方法已很难完全满足结构强度评估的要求，因此有必要研究更为合适的超大型矿砂船结构强度评估方法，以保证船体结构的安全。 有限元方法在船体结构计算中得到了广泛应用，成为解决现代船舶结构评估问题的有力手段，船体结构的总强度评估已可以通过建立全船结构有限元模型，用全船结构有限元分析的方法来解决。陈庆强、顾永宁、顾眸昕等采用全船有限元方法对集装箱船等多种类型的舰船进行过强度校核分析以及相关技术的研究与规范设计时总强度计算相比，对全船的结构作有限元分析可得到更准确的船体结构总纵强度分布。与舱段的结构有限元分析相比，全船有限元计算不再局限于中间几个舱段的分析，而是能够全面地评估全船在其运营工况下的船体 1 应力状态和准确的相对变形，从而发现全船结构应力较高的部位。对于超大型矿砂船来说，由于船长超过350m，其尺度超出了舱段计算和规范计算中的公式适用范围，因此采用全船有限元分析是目前情况下对超大型矿砂船进行强度校核计算行之有效的方法和必不可少的步骤。 目前采用全船有限元模型对集装箱船等船型进行船体结构强度直接计算的技术己日趋成熟，但是对于超大型矿砂船这种结构特殊而又超尺度的船舶，急需对其全船结构强度计算方法进行研究。本文在综合散货船共同结构规范中结构直接计算要求和以往集装箱船、散货船等全船有限元分析经验的基础上，结合超大型矿砂船的特殊结构形式及装载特点，对一条45万吨级的超大型矿砂船建立了全船三维有限元结构模型，计算出各个工况下的船体变形和应力，并就超大型矿砂船全船建模方法、波浪载荷和舱内货物载荷计算方法，以及解决全船载荷动态平衡的惯性平衡处理技术进行了探讨。 1全船有限元模型 全船有限元模型包括结构有限元模型、质量模型、水动力计算模型，其中水动力模型和质量模型用于全船载荷的预报，结构模型用于结构强度的计算。 1.1目标船参数 本文以某一载重量为45万吨级的超大型矿砂船为例，开展全船结构强度有限元分析。该船总长为410.0m，两柱间长为394.0m，设计型宽为65.0m，设计型深为30.8m，结构吃水为22.0m，方型系数为0.843，航速为151m。 1.2结构有限元模型 全船有限元分析用于考察整个船体区域的结构性能，因此有限元模型应覆盖整个船体结构。全船结构有限元模型应采用子结构技术，即将船体主要构件按结构分成甲板结构、舷侧结构、双层底结构、横舱壁、纵舱壁等子结构；同时按舱段分为脂部、货舱区、机舱、艇部和上层建筑等子舱段。这样的建模技术有助于将模型化整为零，提高建模效率，并方便空船 2 重量重心调整和质量模型的建立。 本文参照、散货船共同结构规范的有限元建模要求，并结合超大型矿砂船的自身结构特点完成全船结构建模。在有限元模型中，空船以密度的形式定义各构件中的重量，通过不同的密度值调整空船的重量重心位置；对于舾装和建模引起的差异，通过修改材料密度属性进行调整：对于大型设备，采用集中质量单元进行调整。图1为超大型矿砂船典型横框架建模示意图，图2为采用子结构技术建模的超大型矿砂船全船结构有限元模型。需要特别注意的是，有限元模型横向与纵向的重心位置需与船体实际的浮心横向与纵向位置基本相符，误差 控制在横向与纵向尺寸的±1%以内。 3 1.3水动力湿表面模型 本文应用基