内河自卸砂船积水舱实肋板强度分析

    张勇+张珑

    

    

    

    摘 要：近年来，随着国家基础建设和房地产的快速发展，内河自卸砂船的需求呈逐年上升趋势。而关于其积水舱实肋板的强度问题一直没有系统研究。本文结合有限元方法，在充分考虑骨架型式和实肋板跨长影响的基础上，得到积水舱实肋板剖面模数的计算公式，并进行了模型和实船验证。

    关键词：自卸砂船 积水舱实肋板 剖面模数 有限元

    当前，内河自卸砂船快速发展，据不完全统计全国总量已超万艘，相当一部分自卸砂船还出口国外，如印尼等东南亚地区。

    自卸砂船积水舱实肋板与普通实肋板的受力状态有所不同，如图1所示，强框架位置处的实肋板在跨中设有支柱，使得实肋板在船底承受均布载荷，而在其上又承受载货斜板传递的集中载荷，因此其强度有必要单独考虑。

    本文采用有限元方法，以载货斜板下端纵向桁架（纵舱壁）之间的强横梁为研究对象，并按受均布载荷的两端简支梁进行简化计算，得到货斗斜壁强横梁剖面模数的计算公式；并评估货斗斜壁强横梁两端的支撑情况和强横梁跨中纵桁的影响，对剖面模数计算公式进行修正，且以系列有限元计算和实船数据验证本文提出的修正公式的合理性。

    积水舱实肋板剖面模数计算公式

    根据有关资料规定，目前内河新建自卸砂船的船舶横剖面一般有四种典型结构，如图2所示。

    根据典型横剖面的设计情况，本研究的简化计算模型如图2.2所示。研究对象为船底骨架，实肋板间距S，跨距l，所有实肋板上方均有支柱，支柱力P。支柱力P与水压力产生的弯矩分布一般如图2和图3所示：

    弯矩最大值出现在支柱处：■ 。假定支柱所支持货斗内货物的计算压头为hc，则支柱处的节点力：■。实肋板所承受的舷外水计算压换算为线压力：■。整理得：■。实肋板应力：■ 。取许用应力■ 时，实肋板最小模数为，即：■。

    对于计算压头hc，可按下式计算：■。

    其中：H——货物平均堆高，m，■； Gc——货舱设计载货量，t；v——货物积载因数，m3/t； bF ——积水舱宽度，m，取积水舱纵舱壁的水平距离；bH——货斗宽度，m，取左右舷斜壁板顶点的水平距离；lH——货舱货斗长度，m；

    整理后得：■。

    积水舱实肋板剖面模数影响因素分析

    1、有限元计算模型

    上述研究是通过简单的单跨梁模型得到积水舱实肋板的剖面模数计算公式，未能考虑剖面模数的一些影响因素，如骨架型式和实肋板跨长等，以下将采用有限元对其影响因素进行分析，对得到的计算公式进一步修正。有限元模型如图4所示：

    构件尺寸：实肋板■，旁龙骨与实肋板相同，实肋板跨长4m，两根支柱横向均匀布置在实肋板上，支柱以节点力的形式模拟；

    边界条件：实肋板两端简支；龙骨两端固支；

    计算载荷：实肋板承受均布线压力，线压力大小q按实肋板S计算压头确定，考虑吃水和半波高，支柱节点力P按支柱支撑货斗斜板上方的货物重量确定。

    2、计算结果分析

    2.1船底纵骨架式有限元解如表1所示：

    从表中可知，最大应力发生在支柱处。

    2.2船底横骨架式有限元解如表2所示：

    注：支柱间距限制约3m，支柱间距不大于8档

    从表中可知，最大应力同样发生在支柱处。

    2.3将实肋板跨长改变为5m，结果如表3所示：

    从表中可知，最大应力仍样发生在支柱处。

    根据上述系列分析，可知：①纵骨架式，当实肋板尺寸一定时，计算应力与实肋板间距成正比，可视为横骨架式每档设实肋板且“支柱间距/实肋板间距=1”的情况；②横骨架式，当实肋板尺寸一定时，计算应力与“支柱间距/实肋板间距”相关，可按每档设实肋板且每档设支柱的结果乘以修正系数C进行计算，修正系数C按表4取值：

    考虑实肋板跨长的影响，分别采用线性和抛物线回归，如下图3.2.1所示：

    从图中可知，抛物线回归的情况更好，因此修正系数取为抛物线型式，即C=0.02n2-0.04n+1.02

    积水舱实肋板剖面模数修订公式

    1、剖面模数修订

    综上，积水舱的船底实肋板的最小模数计算公式修订为：■。

    式中：d——吃水，m；r——航区半波高，m；S——实肋板间距，m；l——实肋板跨长，m，取积水舱纵舱壁间距； C——系数，C=0.02n2—0.04n+1.02，其中n为支柱间距与实肋板间距比值； hc——积水舱计算压头，m，■，其中：Gc——货舱设计载货量，t； bH——货斗宽度，m，取左右舷斜壁板顶点的水平距离； lH——货舱货斗长度，m；

    2、模型验证

    下面分别采用临界规范型船有限元计算和现有实船统计资料验证修订公式的合理性。取第2节中A型剖面结构进行规范临界船设计，船长取为80m，100m和120m，共计三条型临界船，其剖面结构如图6所示（以100m为例），积水舱实肋板的尺寸按照4.1修订的公式设计，船体板、梁等主要构件尺寸原则上均按规范临界尺寸设计，不再一一列出。

    2.1有限元计算模型

    有限元计算取全船模型，为消除刚体位移，选取船首中纵剖面与船底交线上一点施加纵向、横向、垂向线位移约束，选取船尾实肋板与船底交线一端施加垂向线位移约束，另一端施加横向、垂向线位移约束。

    模型在船长范围内施加船体重力、货物重力和舷外水压，最终使模型两端支反力≤1‰排水量重力，船中弯矩≤5%目标弯矩。系列临界船的载荷如表5所示。

    目标弯矩：目标弯矩为船中船体梁最大合成弯矩，按下式确定：

    Mc=Ms+Mw

    式中：Ms——静水弯矩，按静水力方法直接计算；Mw——波浪附加弯矩，按规范公式计算。

    船体重力根据重量分布确定；

    货物重力根据载货量确定，货物横向为自然堆装（37度），

    ■

    式中：■ ——货物相当密度，其中：Gc为总载货量；LH为货斗总长；Ac为自然堆装时货物横截面面积；Hi ——计算点货物堆高；

    舷外水压纵向按余弦波分布，满载时波谷在船中，空载时波峰在船中；半波高r根据其产生的附加弯矩等于规范计算的波浪附加弯矩确定：

    ■

    式中：Mw——波浪附加弯矩，按规范公式计算。

    2.2有限元应力结果如表6所示：

    从上表结果可知，采用修订公式确定的积水舱实肋板尺寸，其应力满足要求，且具备一定的安全裕量（面板1.39～2.08，腹板>1.15）。所以本研究提出的积水舱实肋板计算公式是合理可行的。

    参考文献：

    [1] 中国船级社.钢质内河船舶建造规范[M].北京：人民交通出版社，2009.

    [2] 孙海涛译.内河新建自卸砂船检验补充要求[M].上海科学技术出版社，1980.

    [3] 舒恒煜，谭林森.船舶结构力学[M].武汉：华中科技大学出版社，1993.

    （第一作者单位：安徽省淮河船舶检验局，第二作者单位：长兴港航管理局）