三种船型结构的极限强度分析比较_张锦飞

第7卷第4期船舶力学Vol.7No.4 2003年8月Journal of Ship Mechanics Aug.2003文章编号:1007-7294(2003)04-0057-08

三种船型结构的极限强度分析比较

张锦飞1,崔维成2

(1上海交通大学船舶与海洋工程学院,上海200030,2中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082)

摘要:理想化结构单元法(ISUM)是一种对大型结构物进行非线性分析的有效数值方法。本文采用Paik基于ISUM开发的用于解决大型结构极限强度问题的计算程序ALPS/ISUM,对油船、散货船和集装箱船进行了一系列的极限强度分析。从分析结果可知,这三种船舶的两个基本参数船长和载重量与极限强度值有着比较密切的关系。极限强度值随着这两个参数值的增加而增加。而且船长相同时,油船的极限强度最大,集装箱船的极限强度最小。对于大中型船舶,载重量与极限强度基本保持线性关系。油船和散货船极限强度的增长趋势基本相同。而集装箱船增长趋势明显大于油船和散货船。本文还计算了主要影响参数如屈服应力、杨氏模量、初始变形、焊接残余应力以及平均板厚等的变化对极限强度的影响,探讨了这三种船舶的总纵弯曲极限强度对这些参数的灵敏度,为船体结构的设计提供科学依据。

关键词:油船;散货船;集装箱船;ISUM;极限强度分析;灵敏度

中图分类号:U661.43文献标识码:A

1引言

随着经济的全球化,世界各国之间的接触越来越频繁,贸易量也越来越大,其中70%的贸易交往是通过海运来实现的,而世界经济的发展反过来又促使海运量的增长。所以船舶运输在促进世界贸易活动和确保国内经济繁荣方面起着举足轻重的作用。在种类繁多的船舶类型中,最引人注目的是油船、散货船和集装箱船。运输船舶的载货量是其营运效益中的一个重要指标。世界经济的发展需要大量的石油及其衍生产品,作为这些液体货物运输载体的油船由于其载重量越来越大,已经出现了巨型油轮(VLCC)甚至超级油轮(ULCC),其营运成本越来越低廉,所以它在当前全球的经济生活中扮演着越来越不可或缺的角色。散货船的设计与建造始于60年代末,因其运输能力强、经济性能好等优点得到迅猛发展,逐渐垄断了谷物、煤等散装货物的运输。而集装箱船自其上世纪60年代后期诞生以来,由于以集装箱作为运输单元,并停靠专用集装箱码头,因此它能实现/门0到/门0运输,具有航速高、货舱开口大、装卸效率高、劳动强度低、及防止货损货差等特点,逐渐在固体货物运输中占据着重要的地位。据英国海洋航运咨询公司发表的/2005年世界船舶需求量和船价趋势预测0的报告指出,油船占世界商船队船舶载重量的42%,散货船为22%,集装箱船20%,杂货船为11%[1]。国际船舶市场的这四大船舶所承担的海上货物运输量占据着世界商船运输总量的95%,因此研究这几种船型尤其是前三种船舶对保证海运安全并最终促进世界经济的繁荣有着非常现实的意义。

然而,这三种船舶在发展过程中也遇到了很多问题。对于油船来说,其发生海损事故造成的损失和危险性远高于其它两种货船,对海洋污染和所承担的索赔可能远高于油船本身的价值。由于散货船所载的货种、装载情况和受力变形等与其他船舶有所不同,使得散货船比其他类型船舶相对更容易/老化0,出事的概率更大。其中载重量20000t以上、散装固体重货(如矿砂)的散货船的海损事故最多。大量散货船海损事故分析表明,在恶劣海况条件下,结构的破损引起货舱浸水是最终导致船舶沉没事故的直接原因。而集装箱船为了保证较高的装卸效率,货舱开口非常大,一般货舱口宽度为船宽的80%左右,有的甚至达到89%以上。其船体的纵向、横向及抗扭的强度将是一个不容忽视的问题。正因为如

收稿日期:2002-12-09

作者简介:张锦飞(1973-),男,上海交通大学船舶与海洋工程学院硕士研究生。

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如此,这三种船型在结构方面的安全性问题越来越得到重视,它也是船舶行业一直比较关注的问题。

如何才能在提高这三种船舶船体结构安全性的前提下把营运中的风险降至最低,是目前航运界和造船界的一个相当重要的课题。但在船舶设计中,在保证船体安全性能的前提下,如何减轻船舶的船体重量、提高船舶营运的经济性、降低造价,使船东以最小的初投资获得最大的经济效益,却没有得到足够的重视。传统船舶结构设计准则是基于线弹性理论,用满足总纵强度下的最小剖面模数来表征的安全系数法。这种方法过于保守,低估了船体的安全性能。所以,研究船舶的总纵强度,并对其进行极限承载能力分析是相当必要的。这对评估船体结构的真正安全余量,充分合理利用材料、减轻船体结构重量、降低成本、增加装载能力,从而提高船舶的经济性都具有重要的实用价值。

理想化结构单元法最早是由Ueda等人[2]提出,其基本出发点是为了减少结构节点自由度数而采用大型结构单元来模拟一个复杂系统,这些单元的性能通过精确的理论分析、解析推导、有限元或试验来得到,从而给出每个结构单元可能的或预期的失效模式(如单元构件的屈曲或局部屈服)的理想化公式,推导出失效前与失效后不同状态时的刚度矩阵。分析时采用载荷增量法,在任意载荷水平下,组装各单元刚度矩阵从而得到结构整体刚度阵,加上边界条件及载荷增量,计算出对应的结构响应。依赖局部失效、变形及单元内力,进一步修正结构刚度阵并逐步增加载荷直至达到极限强度[3-5]。

Paik[6]基于这一理论开发了用于解决大型结构极限强度问题的计算程序ALPS/ISUM(Idealized Structural Unit Method),给出了三种理想单元库,即理想化梁柱元、理想化无筋板元和理想化加筋板元,相应地考虑了这些单元的非线性性能及失效模式(由拉伸应力引起的连续塑性变形;大变形性能及面内刚度的折减;柔性破坏及破坏后性能;拉伸断裂及断裂后性能),并成功地应用于分析各种类型的船体和构件极限承载能力。

本文利用ALPS/ISUM程序对油船、散货船、集装箱船的中横剖面进行了一系列的极限强度分析,并研究这三种船舶的主尺度与极限强度之间的关系,主要影响参数如屈服应力、杨氏模量、初始变形、焊接残余应力以及平均板厚的变化,船舶总纵弯曲极限强度变化对这些参数的灵敏度,以及这三种船舶的极限强度之间的关系,使船舶设计师能够在设计初始阶段预估这些类型船舶的极限强度值以及一些主要参数的影响,从而为合理地确定船体构件尺寸等后续的设计阶段奠定基础。

2三种船舶的极限强度分析

众所周知,在众多船体构件中,船体中剖面的纵向构件是至关重要的。它是整个船体结构设计的象征,它的设计不仅涉及船体结构本身的问题,而且与船舱的分割休戚相关。设计者的目的在于确保一定装载量和保证甲板与船底强度储备前提下,采用较合理的结构型式以减轻中剖面纵向构件重量。因此,准确计算船舶中横剖面的极限承载能力将有效地反映整个船舶结构的安全性能。

本文分别选取油船、散货船和集装箱船各3-5条不同级别的船舶,利用ALPS/ISUM程序对这三种船舶的中横剖面进行在中垂情况下一系列的极限强度分析。表1中列出了这些船舶的主尺度及载重量。

表1各船舶的主尺度及载重量

Tab.1Main dimension and load ca p acit y of each shi p

船名垂线间长(m)型宽(m)型深(m)设计吃水(m)载重量(ton) 5000DWT p roduct oil tanker113.018.0 6.6 4.55000

100000DWT crude oil tanker223.041.121.014.56100000

150000DWT crude oil tanker260.044.624.216.1150000

Ener gy concentration313.048.225.219.33254000

300000DWT crude oil tanker320.058.031.021.0300000