朱继欣 黄涣青 石科良 吴猛

摘    要：对于客船而言，取较大型宽值可以带来很多的便利，但同时也引发了尺度比超过规范要求等问题。除总纵强度外，横向强度也成为该类船舶结构设计关注点之一。本文基于有限元法，对“粤剧红船”进行直接计算，校核其横向强度，并根据计算结果对结构设计方案提出相应建议。

关键词：横向强度;结构设计;直接计算

中图分类号：U661.43                              文献标识码：A

Abstract：  Larger breadth value can bring a lot of convenience to passenger ships， but it also causes the scale ratio beyond the specification requirements and other problems. In this case， the transverse strength should be concerned in the hull structural design of this kind of ship besides the general longitudinal strength. Based on the finite element method， this paper conducts the direct transverse strength calculation and evaluation of “Cantonese Opera Red Boat” according to the relevant rules of CCS， and puts forward corresponding optimization suggestions for the structural design scheme according to the calculation results.

Key words： Transverse strength;  Structural design;  Direct strength analysis

1     前言

客船取较大的型宽可以改善船舶稳性，也使甲板面积增大，给总布置带来较多便利。但同时也给船舶结构安全性带来相应的考验。

增加型宽有可能导致诸如B/D尺度比超过规范要求、强横梁跨距过大等问题。同时，由于一些特殊船舶使用性能的需要，甲板开设大开口也影响结构的连续性和强度。因此，对大尺度型宽船舶除了关注总纵强度外，横向强度也成为结构安全的关注点之一。

“粤剧红船”为新型水上观光游览船，主要用于珠江夜游中进行粤剧表演、水上游览。该船为满足舞台空间的需要，采用了较大型宽设计，并且在主甲板上设有大开口、如何保障其横向强度成为结构设计的关注点之一。

本文基于有限元法，利用MSC.Patran/Natran软件对该船主船体建模并进行直接计算，以中国船级社规范为准绳，校核其横向强度，并依据计算结果对结构设计进行优化。

2   “粤剧红船”结构特点

该船结构参照CCS《钢质内河船舶建造规范》（2014）（以下简称《内河规范》）A级航区有关要求进行设计。

（1）结构设计特点

本船采用了混合骨架式结构：船底、甲板采用纵骨架式;舷侧采用横骨架式;船中区域为双层底结构，主甲板设有大开口。

（2）横向强度计算依据

本船B/D=4.69>4，超过《内河规范》第1篇2.2.1要求。按照1.2.7.2要求，当船舶B/D不满足相关要求时，应按14章规定校核船舶横向强度。

3     横向强度直接计算

该船主要航行于珠江航道，按内河A级航区进行设计。

3.1   计算模型

根據《内河规范》第1篇14.7.2.2第（1）条，该船舱段模型选取范围为：长度方向从#10～#88;宽度涵盖全船船宽;高度至主甲板止，不包括上层建筑。

对该船主要构件建立三维有限元模型，模型尽可能地按图纸设计细则建立。采用右手坐标系：坐标系原点取FR0处;x方向沿船长向首为正;y方向沿船宽朝左舷为正;z方向沿垂直方向向上为正。网格尺寸采用半个肋距，模型共有单元54 267个，其中板单元40445个、梁单元13 822个。

计算采用国际单位制，即模型长度单位为米、力的单位为N、压力单位为Pa。模型中采用的材料为低碳钢，主要参数如下：杨氏模量E 2.06×1011 N/m2;泊松比ε 0.3;材料密度ρ 7.85×103 kg/m3。

模型按建造厚度分别对板单元和梁单元赋属性;对梁单元考虑其法向及偏心。模型如图1所示。

3.2    工况及载荷

（1）针对该船的使用特点，取三种装载模式：满载出港;满载到港;空载到港

（2）主要载荷：

① 人员及设备载荷

按照全船实际重量分布，将舱段分成若干等分，在对应分段中以节点力的形式施加载荷;

② 舷外水压力

根据《内河规范》第1篇14.7.2.4第（2）条，舷外水压力可按计算工况静水平均吃水加半波高和减半波高的波面确定，舷外水压力的最大值按下式计算：

式中：ρ为水密度;g为重力加速度;h为波面高度，取1.25 m。

舷外水载荷从最高波面处至船底呈线性分布。对横强度而言，其舷外水载荷应包含如下两种情况：

余弦波面沿船宽方向分布，左右舷受平均吃水加半波高波面的舷外水載荷，即对称载荷（见图2）;

正弦波面沿船宽方向分布，左舷受平均吃水减半波高波面、右舷受平均吃水加半波高波面的舷外水载荷，即非对称载荷（见图3）。

三种装载模式下，其舷外水载荷最大值如表1所列。

对同一种装载模式，根据舷外水载荷的不同，可组合为表2六种工况。

3.3   边界条件

根据《内河规范》第1篇14.7.2.3，对舱段模型施加相应约束。

3.4   计算结果

（1）位移

根据《内河规范》第1篇14.7.2.5，船体和上层建筑主要构件的最大挠曲变形应不大于其跨距的1/400[1]。该船横向强度关注的是强横梁、实肋板与强肋骨等横向构件，其最大跨距为9 m，许用挠曲变形为22.5 mm。

经计算，横向强构件在各个工况下最大位移为4.3 mm，小于许用值。

（2）应力

根据《内河规范》第1篇14.7.2.5，结合所使用钢材的材料系数为1，许用应力如表3所列。

4     结论

综上所述，可得出如下结论：

（1） 应力最大值出现在实肋板与纵向舱壁交接处，这是出于舞台布置的需要，使得该处结构无法进行有效结构过渡衔接。对此可在设计中采用局部加厚实肋板方法，以满足强度需要;

（2） 甲板大开口使结构损失横向连续性，对构件抵抗横向弯曲产生影响。同时，由于型宽值较大，横向构件跨距普遍较大。为此可在设计中增加横向强构件的密度，或增加构件尺寸，并在大开口两端设置纵桁，减小横向构件的跨距;

（3）本文仅从横向强度出发，并未结合大开口综合考虑横向弯曲与扭转组合作用下的计算工况。对后续同类型船，可综合考虑弯扭组合下的计算工况。

参考文献

[1]中国船级社. 钢质内河船舶建造规范[S].北京：人民交通出版社. 2014.

[2]王杰德， 杨永谦. 船体强度与结构设计[M].北京：国防工业出版社， 1995.