6万吨级半潜船全船有限元分析与研究

6万吨级半潜船全船有限元分析与研究

周星1，徐寅生1，王静2，刘开仪1

（1.广船国际有限公司 511462；2.广船国际海洋科技研究院有限公司 511458）

摘要：本文主要介绍了6万吨级别的半潜船全船结构有限元分析和研究的过程。该船的有限元分析基于共同结构规格范（CSR）的要求，利用DNV船级社的有限元分析软件进行。

关键词：半潜船；结构；有限元；结构规范

1 前言

半潜运输船装运的货物都是海洋平台、舰船等超大件物品，重量达万吨以上，而受主尺度限制，半潜运输船一般船宽比较大，型深比较小，不利于提高船体的总纵强度。这些都要求半潜运输船有着很高的船体结构强度。大型半潜运输船在主甲板装载海洋工程结构物中，沿船长方向的剪力分布存在以下几个方面的特点：（1）由于所载运的货物灵活多样，有些货物重量大而货物与半潜船的接触面积又小，因此甲板有较大的集中载荷，造成船体各剖面的剪切力较大，因此船舶在船长方向的各个剖面需要提供更多的剪切面积。（2）由于半潜船船宽较大而型深小，每条纵舱壁抗剪的有效性不同于油船等其它船舶，需要特别考虑。（3）由于半潜船存在尾部上货的特殊装卸货工况，在该装卸货工况中，整个尾部都会承受较大的剪切载荷，因此剪切强度需要校核的范围也包括整个尾部结构。现行规则和规范中，尚未有关半潜运输船的明确条文，在设计中某些重要方面无章可循，需要在依托工程船的开发设计过程中提出问题、并联合船级社、船东、及设计单位等各方面力量进行探讨并解决问题。

2 船舶概述

本船为双桨双舵无限航区远洋船舶，载重约65000吨，主尺度见表1。

表1.船舶主尺度值

3 全船有限元模型建模

3.1为了校核全船剪切强度，我们建立了全船有限元模型。模型长度方向为全船长度，宽度为全宽，高度方向从船底板到上甲板但不包括首部的上层建筑。所使用的网格大小为纵骨间距或类似的尺寸。船体板使用带面内弯曲刚度的4节点壳单元模拟，骨材使用带偏心的梁单元模拟，全船较小的人孔一律在建模中忽略。模型如图1、图2所示。

图1.全船模型总缆

图2.模型的典型横剖面

3.2边界条件

为了最大可能的减小边界条件对计算结果带来的影响，全船仅在首部和尾部找了三个点进行了简支约束，约束图片如图3、图4、图5所示：

图3.边界条件总揽

图4.首部边界条件放大视图

图5.尾部边界条件放大视图

3.3全船剪力包络线

全船的剪力包络线来自两部，一部分来自装载手册，一部分来自水动力载荷的直接预报。完整的剪力包络线如图6所示。

图6.剪力包络线

3.4计算工况

通过加载甲板载荷和外部海水载荷可以模拟船舶的剪力曲线。但是由于剪力包络线自身的特点，不能在同一个工况中被完整的模拟出来，因此我们以船中为中点，设计了两种计算工况，分别来模拟前半船的剪力包络线和后半船的剪力包络线。两种工况的剪力曲线如下图7、图8所示。其中工况一用来校核后半船的剪切强度，工况二用来校核前半船的剪切强度。

图7.工况一的剪力曲线

图8工况二的剪力曲线

通过这样的加载方式，一来可以完美的模拟船长方向的剪力包络线从而校核每个剖面处的剪切强度，二来由于使用了对称载荷可以使边界上的支反力达到最小值而不影响计算结果。

3.5载荷的施加方式

剪力包络线的拟合是通过在甲板上施加设计货物载荷和在外板上施加海水载荷的方式来调整的。

对于甲板载荷施加的方法如下，以船中为中心，选择一个适当的长度施加主甲板的设计载荷，使得船中处的剪力为零。

对于外板的载荷施加，为了使模拟出来的剪力曲线能够与剪力包络线有较高的吻合度，我们按每三档一组把全船外板在长度方向分成若干段，每段施加一个外部海水压力，使得强框处的剪力达到对应包络线上的值。外部海水压力的施加方法是先施加一个结构吃水下的静水压力，然后通过调整海水密度的方式再来修正该段的整体垂向载荷。分段的示意图如图9所示。

图9.外板分段的示例图

3.6剪力包络线正确性的验证

为了验证以上载荷施加方法的正确性，我们分别使用了英国劳氏船级社的Shipright软件和挪威船级社的Cutres软件来校核有限元模型中的全船剪力分布，对比图如图10、图11、图12、图13所示。通过比对后发现我们施加的载荷完美的拟合了剪力包络线。

图10.工况一LR-Shipright中剪力与设计值的比对

图11.工况二LR-Shipright中剪力与设计值的比对

图12.工况一DNV-Cutres中剪力与设计值的比对

图13.工况二DNV-Cutres中剪力与设计值的比对

3.7使用的应力衡准

剪应力的许用衡准使用DNV规范的指导值为110f1；对于235钢f1=1.0；对于315钢f1=1.28；对于355钢f1=1.39。

4 计算结果

4.1边界条件上的支反力

图14.工况一，边界上的支反力

图15.工况二，边界上的支反力

根据图14、图15可知，边界上的支反力小于最大值剪力值的0.6%。因此边界的设置是合理的。

4.2屈服屈曲强度结果

计算结果显示全船所有纵向构件上的最大应力为147MP，达到了最大许用剪应力的96.1%。

对于屈曲强度，我们选择了两个典型的板格，使用110f1最大的剪切应力来校核板格的剪切屈曲强度，第一个板格为2400*800厚度为16毫米，第二个板格为2400*650厚度为12毫米。结果显示剪切屈曲强度DNV满足规范要求。

4.3中纵舱壁的剪切应力结果

图16.工况一，中纵舱壁中，后半船的剪切强度结果

图17.工况二，中纵舱壁中，前半船的剪切强度结果

4.4舷侧纵舱壁的剪切应力结果

图18.工况一，舷侧纵舱壁中，后半船的剪切强度结果

图19.工况二，舷侧纵舱壁中，前半船的剪切强度结果

4.5外板的剪切应力结果

图20.工况一，外板中，后半船的剪切强度结果

图21.工况二，外板中，前半船的剪切强度结果

4.6剪切强度结果

图22.典型板格一的剪切屈曲强度

图23.典型板格二的剪切屈曲强度

针对半潜船的剪切强度的校核要求，确定了用全船有限元模型来快速校核全船每个剖面剪切强度的计算方法。该方法通过调整甲板和外板上的载荷来调整对应剖面的剪力值，加载简单快速。通过两个计算工况就可以拟合出全船的剪力包络线，从而可以校核全船所有剖面的剪切强度，对半潜船的结构设计有重要的指导意义。

5 结语

基于CSR的65000吨半潜船全船结构有限元分析，是一项工作量较大耗时较长的工作。在这个过程中由于使用的是DNV船级社的专业软件，也因此减少了一些工作量，比如软件自动扣除腐蚀余量，自动加载等。这也从一个侧面反映了基于CSR有限元分析必须在专业软件的辅助下才能完成，其周期的长短受到该软件功能的制约。同时确保了65000半潜船海上航行的安全性。

参考文献：

[1] DNV. Rules for Classification of Ships. 2022.

[2] DNV. Classification Notes No.31.2: Strength Analysis of Hull Structure in Roll On/Off Ships and Car Carriers. 2021.