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船舶/港口设备/海洋工程 |
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MSC软件在11万吨油船计算中的应用 |
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作者：江克进 毕静 唐永生 |
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引言
2006年4月1日，全球海事界迎来有史以来油船和散货船建造标准统一的时刻。从这天起，国际船级社协会（IACS）油船和散货船结构共同规范（CSR）正式实施，标志着船级社诞生来该类船舶建造标准多种规范并存的局面终于结束。
随着船舶设计建造向大型化和经济化方面的发展，越来越多的船舶需要进行有限元直接计算。油船结构共同规范要求，必须用有限元分析对船体结构进行强度评估。
在11万吨油船计算过程中采用MSC.Software公司开发的著名的有限元软件进行建模、计算，同时应用美国ABS船级社"SAFESHIP FOR TANKERS"软件进行相关的加载、评估。MSC有限元软件是世界上功能全面，应用广泛的大型通用结构有限元分析软件。
下面简单介绍按照结构共同规范对11万吨油船进行有限元结构分析，开发出符合结构共同规范的新船型。
1 有限元的具体内容
1.1 有限元分析内容
有限元法是结构分析的主要手段，在结构共同规范中分为有限元粗网格舱段分析法、细网格分析法和精细网格分析法。
粗网格法：评估纵向船体梁构件、主要支撑构件和横舱壁的强度；
细网格法：评估局部结构细节的详细应力值；
精细网格法：疲劳强度热点应力计算。
1.2 有限元模型的建立
舱段有限元模型的纵向范围应覆盖三个货舱长度。当船中部货油舱区域的货舱长度不同时，有限元模型的中部舱的长度应取最长货舱的长度。所有主要纵向和横向构件应建模，包括：内壳和外板、双层底肋板和桁材、横向强框架和垂直桁材、水平桁材、横舱壁和纵舱壁结构。模型前后端应包括槽形横舱壁的完整壁凳结构，前后端超出端部横舱壁的长度应相等，模型端部的强框架。结构上所有的板材和骨材，包括腹板加强筋，都应建模。
板单元网格应尽可能遵从骨材实际排列规律，以表示骨材之间的实际板格。通常，板单元网格应满足以下要求：
（a） 每两相邻纵骨之间为一个单元。沿纵向，单元长度应不大于2 个纵骨间距。
（b） 横舱壁，每两相邻垂直扶强材之间为一个单元；
（c） 横框架、垂直桁材、撑材和水平桁材上，每两相邻腹板加强筋之间为一个单元。
所有的局部骨材都应模型化。这些骨材可用位于板面内的线单元来建模。承受侧向载荷的区域应使用梁单元，而不承受侧向载荷的内部构件上的骨材可使用杆（桁架）单元。线单元应具有以下特性：
（a） 对于梁单元，面外弯曲特性应能表示板和骨材组合后的惯性矩，骨材每边的带板应取1/2+1/2的骨材间距。此时中和轴的偏心不要求表示。
（b） 对于梁单元和杆单元，其他剖面特性应基于表示扶强材的横剖面面积，但不包括带板面积。
1.3 模型的腐蚀余量扣除
结构共同规范对构件表面的腐蚀余量作了明确的规定。关键的问题在于不同的计算扣除不同的腐蚀余量，结构共同规范规定在进行船体梁屈服校核、屈曲校核，船体梁极限强度校核，船体梁弯矩和剪力引起的应力计算，强度直接计算和疲劳校核时都要扣除不同的腐蚀余量。也就是说舱段有限元模型的建模尺度应基于净尺度。表1列举了部分计算的模型的腐蚀余量扣除标准。表1 模型的腐蚀余量扣除标准
 所有的建模工作在MSC.Patran中进行。由于Patran软件的专业性和通用性，使其能够出色地完成有限元模型的生成。输出为通用的NAS格式模型，读入ABS/SAFESHIP FOR TANKERS 软件中，对其进行加载，并使用MSC.Nastran 进行求解、分析。
2 载荷
结构共同规范中引入了等效设计波的概念。涵盖了航行和港内的载荷实际工况。对于尺度要求和强度评估，考虑10-8概率水平下横摇和纵摇的动载荷包络线值，要求对船舶的横向、纵向、垂向的加速度进行计算。对于疲劳强度评估，载荷包络值以10-4概率水平给出。与传统规范相比，结构共同规范对设计载荷的要求更加严格，对船舶的安全性有更高的要求。
对于一道油密纵舱壁的油船结构，有限元载荷工况有十一种装载模式。航行工况的设计载荷是静载荷+动载荷，港内和试验工况的设计载荷只有静载荷。表2是结构型式为一道油密纵舱壁油船的标准工况。表2 一道油密纵舱壁油船的标准工况
 3 边界条件
只有模型处于静平衡状态时，才能确定结构响应。用于分析的三个货舱区域船体三维模型是整个船体梁的中间部分，要使其处于平衡状态，则两端必然承受弯矩和剪力。该弯矩和剪力即为三维模型的边界条件。
"SAFESHIP FOR TANKERS "系统通过施加给模型边界节点力来实现边界的弯矩，见图1。而剪力则以弹性支撑来代替，见图2。模型的平衡过程由系统自动完成。
图1 施加的边界弯矩
图2 模型端部的弹簧约束
4 有限元分析的结果
图3、图4为有限元计算的模型和分析结果示意图。结合ABS船级社的分析评估软件，对于11万吨油轮有限元计算结果进行评估，并对船体的相应结构进行修改。总的来说新的规范生效以后，由于载荷要求的提高，船体各部分的构件尺寸都有一定程度的增加，包括外板、内底板、纵舱壁等，局部结构主要是屈曲的要求不满足，主要措施是增加板厚，局部加CARLING来满足要求；对于横舱壁附近的中纵舱壁，由于剪切的影响，局部强度不够，考虑增加板厚。
图3 三舱段有限元粗网格模型
图4 内壳板屈曲评估结果
５ 结论
结构共同规范对船舶设计提出了更高要求，有限元计算的作用更加突出。目前各大船级社都在开发自己的计算程序，有很多家船级社的计算软件都和MSC.Software公司的软件结合开发，包括建模和计算等方面。实际应用下来，由于MSC.Software公司软件的先进性等特点，使有限元的计算工作更加方便、有效。
参考文献：
[1] Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers. 2006.(end)
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(11/3/2008) |
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