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大型集裝箱滾裝船結構有限元分析

發表時間:2022-04-05 22:11 閱讀:

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      滾裝船又稱“開上開下”船,是利用運貨車輛或牽引車牽引來載運貨物的專用運輸船舶。集裝箱船是專門運輸貨柜的運輸船舶。而集裝箱滾裝船,簡稱“集滾船”,兼具滾裝船與集裝箱船的運輸功能,具有裝貨靈活的特點。對于大型集裝箱船(大于10000TEU)與滾裝(大于8000車),現有的設計較多,但大型集滾船的設計經驗十分有限。圖1所示為滬東中華設計建造的第四代集裝箱滾裝船總體布置和兩個過渡區域關于結構型式的示意圖(船長方向部分縮略),該船的艏部和艉部為集裝箱貨艙區域,舯部為滾裝貨艙區域,其總體布置以及結構型式較為復雜,對艏舯艉三個貨艙相互之間過渡區域的結構設計和強度分析提出了較高的要求。
      該船在結構設計過程中存在著兩大難點:
      (1)由于布置形式復雜,縱向構件總縱彎矩應力的傳遞狀態以及參與總縱彎曲的程度難以按照常規規范計算方法確定,總強度校核需由有限元直接計算確定。總縱彎矩由靜水彎矩和波浪彎矩組成。靜水彎矩分布選用裝載手冊中的包絡許用值分布,但它并不對應于真實的裝載工況。對于全船的波浪彎矩的規范要求分布,也難以用常規波浪載荷施加方法模擬。因此,如何確定全船有限元分析總強度校核的加載方法,達到全船總縱彎矩的設計目標分布。這是結構設計的難點之一。
      (2)根據船東方的反饋,在上一代母型集滾船的使用過程中,在船舯滾裝貨艙與集裝箱貨艙的前后過渡區域易產生結構裂紋,經常返修帶來經濟損失。這是由于前后過渡區域的局部結構面臨著難以避免的應力集中問題,而這兩個應力集中的位置處于船舯部的彎矩較大區域,還承受著斜浪和橫浪等復雜海況下的彎扭組合載荷。必須開展相關全船有限元強度分析。這是結構設計的難點之二。
      針對以上兩個設計難點,開展全船有限元總強度校核和全船有限元強度分析。其中,對全船有限元總強度開展校核是對常規規范校核方法的補充,也是對全船有限元強度分析的初步預判,而全船有限元強度分析是對整船結構設計的校核和最后確認。
      在有限元總強度校核方面,陳慶強等用整船三維有限元分析方法,通過整船加載和慣性平衡處理,完成了總縱彎曲加載并對上層建筑參與總縱的有效度進行研究。王峰等基于NAPA軟件計算得到的平衡狀態,完成對整船靜水載荷的加載,以研究長的上層建筑等縱向構件參與總縱強度的有效性。上述方法在實船設計中會帶來一些新的問題:(1)文獻中的方法理論上是可行的,但由于在實船研發設計中用于校核的總縱彎矩包絡值為一虛擬值,這意味著沒有真實的實船工況可以作為計算工況。即便是有較為接近靜水彎矩包絡值的裝載工況,采用文獻的方法時波浪彎矩成分也無法保證達到全船的規范要求分布,作為全船有限元總強度的校核手段不具備實際操作性;(2)文獻中的方法能夠滿足上層建筑的有效性研究,但平衡狀態的加載沒有且無法考慮波浪彎矩載荷成分,在實船設計中不能滿足相關船級社的審圖要求。
      對于全船有限元強度結構分析技術,顧永寧等基于波浪隨機載荷的長期預報,采用嵌入精細艙口角隅的方法,對一艘5萬噸級大開口船某艙口角的應力集中進行了研究。張延昌等采用DNV船級社SESAM系列軟件完成了一艘大型滾裝船的彎扭強度整船結構分析。羅秋明等對一艘超大型礦砂船完成了全船有限元強度分析全過程。本文采用的全船強度分析的基本原理和方法,與文獻較為類似,重點是對美國船級社相關指南的工程應用經驗作介紹和剖析。


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