共同规范研究总结报告

共同规范研究总结报告广船国际股份编制TOC\h\z\t"标题9,1"HYPERLINK\l"_Toc170621198"技术性能指标PAGEREF_Toc170621198\h3HYPERLINK\l"_Toc170621199"一货舱区船体结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与优化研究PAGEREF_Toc170621199\h4HYPERLINK\l"_Toc170621200"1〕结构设计依据:PAGEREF_Toc170621200\h4HYPERLINK\l"_Toc170621201"2〕JTP规范对结构设计的阻碍比较 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 PAGEREF_Toc170621201\h5HYPERLINK\l"_Toc170621202"3〕货舱区船体结构舯剖面设计优化PAGEREF_Toc170621202\h11HYPERLINK\l"_Toc170621203"4〕中纵舱壁及横舱壁设计PAGEREF_Toc170621203\h13HYPERLINK\l"_Toc170621204"二货舱区船体结构有限元分析方法评估PAGEREF_Toc170621204\h17HYPERLINK\l"_Toc170621205"1〕三维有限元模型的范畴PAGEREF_Toc170621205\h17HYPERLINK\l"_Toc170621206"2〕边界条件PAGEREF_Toc170621206\h21HYPERLINK\l"_Toc170621207"3〕装载工况和有限元运算工况PAGEREF_Toc170621207\h23HYPERLINK\l"_Toc170621208"4〕应力衡准PAGEREF_Toc170621208\h28HYPERLINK\l"_Toc170621209"5〕运算结果PAGEREF_Toc170621209\h30HYPERLINK\l"_Toc170621210"三船体梁极限强度及屈曲强度评估PAGEREF_Toc170621210\h37HYPERLINK\l"_Toc170621211"1〕船体梁极限强度及评估PAGEREF_Toc170621211\h37HYPERLINK\l"_Toc170621212"2〕屈曲强度评估PAGEREF_Toc170621212\h38HYPERLINK\l"_Toc170621213"四结论PAGEREF_Toc170621213\h41HYPERLINK\l"_Toc170621214"1〕确定了舯剖面的结构形式和构件布置PAGEREF_Toc170621214\h41HYPERLINK\l"_Toc170621215"2〕研究确定纵、横舱壁结构形式和构件尺寸PAGEREF_Toc170621215\h42HYPERLINK\l"_Toc170621216"3〕应用有限元分析方法运算评估船体结构屈服和屈曲强度PAGEREF_Toc170621216\h43HYPERLINK\l"_Toc170621217"4〕应用〝一步法〞运算校核船体梁极限强度PAGEREF_Toc170621217\h43HYPERLINK\l"_Toc170621218"5〕应用初步屈曲强度运算方法校核船体屈曲强度PAGEREF_Toc170621218\h43HYPERLINK\l"_Toc170621219"四疲劳评估与节点设计优化研究PAGEREF_Toc170621219\h43HYPERLINK\l"_Toc170621220"1〕纵骨疲劳强度评估——名义应力法PAGEREF_Toc170621220\h44HYPERLINK\l"_Toc170621221"2〕热点位置的疲劳强度评估——热点应力法PAGEREF_Toc170621221\h45HYPERLINK\l"_Toc170621222"3〕研究结论PAGEREF_Toc170621222\h67HYPERLINK\l"_Toc170621223"五研究成果的应用情形PAGEREF_Toc170621223\h68HYPERLINK\l"_Toc170621224"1〕应用前景PAGEREF_Toc170621224\h68HYPERLINK\l"_Toc170621225"2〕取得的经济效益PAGEREF_Toc170621225\h68技术性能指标No技术项目技术参数指标1船型HandySizeTanker2总长Loa183.20m垂线间长LBP176.00m型宽B32.20m型深D18.20m3设计吃水Td11.00m结构吃水TS13.00m4设计载重量42,500T结构吃水载重量50,500T5货舱容积VC58,300m36货舱壁形式带下墩的纵/横槽形舱壁清洁舱型燃料油舱形式双壳服务航速VS14.8kn8锅炉1套,每套25t/h9废气锅炉1套,1.0t/h10柴油发电机组3套,每套约960kW11救生设备尾抛艇+救助艇一货舱区船体结构设计与优化研究1〕结构设计依据:依照以上船型主尺度参数、船体布置、和结构型式上的特点，按船级社协会(IACS)JTP共同规范〔COMMONSTRUCTURALRULESFORDOUBLEHULLOILTANKERS〕中对适用双壳油船船型的规范要求，本型HANDYSIZE型成品油船完全满足本规范的适用范畴，见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1中所列出比较结果，因此在结构优化设计中应严格按JTP共同规范的要求进行结构形式研究、构件布置、结构强度校核、构件规格设计等。表1：成品油船满足JTP规范适用要求项目适用JTP规范要求成品油船比较结果船型参数Lpp(m)≥150满足Lpp/B>5满足B/D<2.5满足Cb>0.7满足分舱布置双壳要求是满足双底是满足机舱和甲板室布置在货舱区后是满足布置内壳和一道中纵舱壁是满足船体构造船体为焊接形式是满足船体为板架构成是满足由横向舱壁、间隔强框架参与的纵向板架构成是满足船体结构布置双壳双底尺度满足法定要求〔IMO&MARPOL〕是满足单甲板结构是满足横纵舱壁位置满足法定要求〔IMO&MARPOL〕是满足2〕JTP规范对结构设计的阻碍比较分析JTP规范对150m以上双壳油船的结构设计在结构腐蚀余量、运算载荷、运算载荷点选取、结构设计细节、强度评估衡准等方面的要求较以往的规范作出了重大的改变，对船体结构设计要求更加严格，其阻碍深远。在结构设计优化过程中，通过熟悉和应用JTP规范对货舱区的纵、横构件进行规范设计，并与应用往常规范设计出的船体结构进行比较，得出JTP规范要紧在下面几个方面导致结构重量大大增加。a〕合成运算载荷方面在结构设计衡准中设计载荷的运算较目前规范更加复杂，载荷分类被进一步的细化，见表2。在构件规范设计运算中应用的是在不同吃水下、不同装载状态下的合成载荷。表2：合成运算载荷的分类合成载荷载荷成分静载荷〔S〕静载荷+动载荷(S+D)破旧载荷(A)冲击载荷(IMPACT)外载荷海水静载荷海水静载荷+波浪动载荷砰击载荷拍击载荷内载荷液货静载荷〔所有液舱〕液货静载荷+波浪诱导液舱内动载荷〔所有液舱〕平稳水线下的破旧载荷水压试验载荷〔所有液舱〕置换法静载荷〔压载舱〕溢流法静载荷〔压载舱〕由表2可知，合成载荷总体上分为静载荷、动载荷、晃荡载荷、冲击载荷和破旧载荷，这几种载荷在构件运算中依照构件的所在部位按内、外不同载荷成分进行合成运算，并在对应力运算衡准中要计及垂直和水安静水、波浪合成弯矩、剪力的阻碍。另外运算动载荷要考虑船体运动六个自由度以及船体与波浪方向的横浪、斜浪、迎浪不同状态下引起的加速度变化，见表3。表3：货舱区的动载荷工况JTP规范的设计载荷要求大体上与DNV规范设计载荷的要求差不多类似，但运算载荷的合成与运算过程更加复杂，繁琐，同时由于压载水置换法和溢流法的引入，使弯矩和剪力大大增加，载荷运算值中要考虑过压载荷，造成压载舱周围边界构件运算载荷较原先有所增大，导致结构构件的尺寸大大增加。b〕结构腐蚀余量方面JTP规范要求的构件腐蚀余量较ABS、DNV等船级社目前规范的要求大大增加，见表4中及图1中所示的关于货舱区船体构件JTP规范要求值与ABS、DNV往常规范要求值的比较图1：结构腐蚀余量的比较表4：JTP规范与原先规范关于腐蚀余量要求的比较〔货舱区〕构件部位腐蚀余量值〔mm〕比较结果ABSDNVJTP主甲板在液货舱范畴内1.01.04.0↑400%主甲板在压载舱范畴内2.02.04.0↑200%压载舱内部构件在甲板下3.0m内2.03.04.0↑133%压载舱内部构件在甲板下3.0m外1.01.53.0↑200%液货舱内部构件在甲板下3.0m内1.52.04.0↑200%液货舱内部构件在甲板下3.0m外1.01.02.5↑250%舷顶列板2.02.03.5↑175%舷侧外板1.01.03.0↑300%内壳板与斜底板1.51.03.5↑233%内底板1.51.54.5↑300%外底板与舭部外板1.01.03.0↑300%由上表看出，关于结构构件腐蚀余量JTP要求较以往规范要求大大增加，增加幅度在100~400%之间，主甲板和内底板腐蚀余量增加值达到了3mm，这将造成船体构件的板厚大大增加，结构重量越来越大。c)结构运算的〝净厚度〞应用在上述运算载荷和结构腐蚀余量要求增加的情形下，JTP规范要求在船体结构强度运算校核中应用构件的〝净厚度〞，即要求用于强度运算的构件尺寸是建筑厚度扣除腐蚀余量后的净尺寸，如图2。图2：净厚度示意图依照校核不同的结构部位和不同的校核方法，规范对〝净厚度〞的定义不同。见表5中结构校核中〝净厚度〞的定义。表5:JTP规范关于强度校核净厚度要求不同校核方法构件类型净尺寸t最小板厚要求所有构件t-1.0xt船体梁总纵强度所有参与总纵强度的纵向构件t-0.5xt结构构件规范尺度校核板材和局部扶强构件t-1.0xt要紧支撑构件〔强框架、纵桁等〕t-0.5xt船体梁极限强度所有参与总纵强度的纵向构件t-0.5xt结构有限元分析所有构件t-0.5xt结构疲劳强度评估参与船体梁应力运算构件t-0.25xt参与局部应力运算构件t-0.5xtt_____腐蚀余量；t_____建筑厚度通过目标船的运算校核，JTP规范要求总纵强度校核应用净尺寸与以往规范要求完全不同，以往规范在总纵强度运算中应用构件的建筑厚度，而JTP规范要求扣除0.5倍的腐蚀余量，如此导致应用原先规范校核出的船体梁剖面模数不满足JTP规范的总纵强度要求，结构构件的尺寸必定大大增加。d〕结构疲劳寿命的改变JTP规范中有关船体结构疲劳年限和疲劳校核的外部波浪环境要求较以往规范有较大的改变，疲劳年限由20年改为25年。相比于以往的设计寿命20年，设计寿命的增加除了是由于年限的增加，还由于外部波浪环境由原先规范要求的无限航区，改为船舶完全在北大西洋波浪环境中营运的疲劳评估标准的提高。另外JTP所使用的Weibull形状参数、S—N曲线、不同位置、不同应力成分的组合因子等的不同，也使得结构疲劳寿命的要求更加严格。详细的疲劳设计优化见第四部分。e)结构重量变化比较通过对目标船规的范设计校核结果与应用DNV规范设计出的货舱区船体结构进行了比较，得到依据JTP规范设计出的货舱区船体结构重量增加为720吨，增加的重量较往常规范运算出的船体钢料重量的增幅达到了10%，不同结构部位纵向构件板厚重量增加的比例见图3。图3：纵向板厚增加的比较3〕货舱区船体结构舯剖面设计优化以JTP规范作为设计依据，依照总体性能研究的装载运算中得出的最大静水弯矩作为最大设计静水弯矩，借助NAUTICS运算程序，从纵骨间距、强框架间距、材料的选用和总纵强度校核等几个方面，对舯剖面纵向构件进行了细致的优化研究。a〕结构材料的使用在船舶结构设计中，使用高强度钢能够提高结构强度，降低结构重量，但高强度钢结构构件尺寸变小，容易发生失稳变形，抗疲劳性能差。而且，舷侧纵向构件在水线邻近承担波浪交变载荷，极易产生疲劳裂纹，不宜采纳高强度钢。另一方面，由于舯剖面中和轴邻近总纵弯曲应力较小，使用一般碳钢专门容易满足结构强度和疲劳的要求。本专题对 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 1〔全部采纳一般碳钢〕的舯剖面结构和方案2〔部分采纳高强度钢〕的舯剖面结构进行运算比较，以得出较为合理的材料选用设计方案。见表6。表6：选用不同材料时，货舱区船体结构板厚及型材的比较材料选用方案比较项目方案1方案2舯剖面纵向连续构件截面积Am(m2)3.6553.298中和轴距基线高度h(m)7.6757.387规范要求甲板剖面模数Zr(m3)12.08111.852规范要求船底板剖面模数Zr(m3)17.63515.195甲板实际剖面模数Zda(m3)〔NET〕14.60113.583船底板实际剖面模数Zba(m3)(NET)20.35419.972(Zda/Zr)%120.9114.6(Zba/Zr)%115.4131.4最大甲板板厚〔mm〕局部强度要求值15.514实取值1614.5(AH32)甲板纵骨局部强度要求值SMR=271(HP200X11.5)SMR=159(FB200X12)实取值SMA=446(HP260X12)SMA=269(HP220X12)最大内底板板厚〔mm〕1616内底纵骨HP300X12HP300X12最大外底板板厚〔mm〕14.514.5外底纵骨HP320X13HP320X13货舱区总长LC.T.(m)135.8货舱区纵向连续构件重量W1(t)38963516从表6中能够看出，方案２中的板厚和型材尺寸均比方案１的小，焊接加工时的工作量小。重要的是，方案2的材料选用将使纵向连续构件的重量减轻9.8%。因此本船结构设计中的材料选用确定为第２方案。并通过优化调整，最终运算出50500t化学品/成品油船的高强度钢〔AH36〕用量约占全船钢料重量的38%。b〕总纵强度校核据装载稳性运算得到的中拱、中垂状态下最大静水弯矩和JTP规范要求垂直波浪弯矩，在总纵弯矩合成应力的作用下，应用规范中的运算公式，运算得到规范要求的甲板和底部的最小剖面模数为11.852m和15.195m，船体梁净剖面模数〔船体梁构件的建筑厚度减去0.5倍的腐蚀厚度后运算得到的船体梁剖面模数〕Zv-net应不小于规范要求的最小剖面模数。通过DNV船级社NAUTICS运算程序，应用腐蚀余量扣除后净板厚实际运算得到船体梁甲板和底部的净剖面模数分别为13.583m和19.972m，较规范要求的最小剖面模数分别有14.6%和31.4%的储备。底部的实际剖面模数差别较大是由于货舱内、外底板局部强度要求造成的。4〕中纵舱壁及横舱壁设计一样来说舱壁有四种形式：带水平桁和垂向扶强材的平板舱壁、带垂直桁的水平槽形舱壁、双平板舱壁以及带上下墩结构的垂直槽形舱壁。本船在综合考虑各方面因素后采纳最后一种舱壁形式，即中心纵舱壁及横舱壁都采纳带下墩结构的垂直槽形舱壁。槽型舱壁结构形式采纳较为常见的梯形槽型剖面，据统计和规范要求，梯形剖面的夹角在60~80之间板厚和槽型间距最经济，槽型的平面部分与槽型的斜面部分差不多相等，同时槽型的深度越深，槽型的强度越好。本船依照总体分舱布置、舱型等因素，对纵横舱壁槽型进行优化设计。依照有关资料分析，梯形槽型舱壁板的腹板和面板近似相等时槽型剖面板厚最经济，而现在阻碍槽型的是两个参数，分别是槽深和槽型剖面夹角。我们依照DNV提供的表格对槽形舱壁进行了优化，如表7，最后选取了目标船的形式，如图4和图5所示。表7：槽形舱壁的优化最后优化的槽形舱壁为：槽深：1160mm，槽形剖面的夹角为：77，板的厚度为：纵舱壁19mm〔AH36〕，横舱壁19.5mm〔AH36〕优化后的舱壁入图所示图4：优化后的HANDYSIZE成品油/化学品船典型横舱壁图图5：优化后的HANDYSIZE成品油/化学品船典型纵舱壁图二货舱区船体结构有限元分析方法评估1〕三维有限元模型的范畴船体结构强度的有限元运算在规范中是强制性规定。运算范畴包括两部分：一是货舱区分析，校核纵向构件、要紧支撑构件和横舱壁的强度；二是细网格分析，校核局部结构应力水平。按JTP的要求，有限元模型的最小纵向范畴应覆盖中部货舱区三个液货舱长度，其范畴应能充分表示中部区域内的结构，如图6。图6：货舱区有限元模型的范畴目标船建立了从FR88到FR180，全长64.4米的三个舱段的模型，包括第三舱的全舱，第四舱的全舱、第五舱的全舱和分别向两端舱延伸至第一个强框的部分。依照JTP规范，由于模型边界距离横舱壁已有一个舱长的距离，因而边界条件产生的误差在横舱壁处差不多差不多排除，两横舱壁及在其间的中舱段运算结果是可信的。该模型完整表达了舱段中的全部构件，每两个纵向扶强材之间有一个单元，横舱壁每个扶强材之间有一个单元,在每个强肋骨、横撑和纵桁的两个扶强材之间有一个单元格,在双层底内的纵桁和实肋板、横向和垂向的强肋骨、横舱壁的水平桁材高度内有三个单元,关于撑杆和具有较小腹板的制荡横舱壁和纵舱壁上的甲板强横梁和水平桁材，在其腹板高度上使用两个单元来表示,底边舱腹板上的网格精细到足以表示腹板开口的形状,要紧构件大肘板的自由边的形状也尽可能与实际一样，幸免了由于形状引起的应力集中，从而保证该区域的结构应力运算有较高的精度。模型中采纳的厚度是设计厚度-0.5倍的腐蚀厚度。运算有限元模型见图7。运算模型有限元厚度分布见图8、图9和图10。图11和图12给出了有限元模型的网格示意图。该运算采纳了十分精细的模型网格，因而能够认为应力运算结果详细而准确图7：三舱段有限元模型图8：三舱段有限元模型厚度1图9：三舱段有限元模型厚度2图10：三舱段有限元模型厚度3图11：三舱段有限元模型的网格划分1图12：三舱段有限元模型的网格划分22〕边界条件依照JTP规范附录B/2.6关于有限元模型的边界条件的要求，在模型前后端面中和轴与中纵剖面相交处分别建立一个独立点，使模型前后端面上的所有纵向单元节点的自由度、、与其对应端面上的独立点相关，模型中通过多点约束(MPC)来实现如图13所示，同时沿甲板，内底板和外底板上的节点施加一端刚固，另一端在总体坐标系y自由度上有刚度的弹簧单元来约束这些构件的；沿舷侧板，内壳纵舱壁和中纵舱壁的垂直部分节点施加一端刚固，另一端在总体坐标系z自由度上有刚度的弹簧单元来约束这些构件的，见表8。弹簧单元约束如图14所示。簧的刚度公式为：弹簧单元能够由杆单元来替代。图13：三舱段有限元模型的边界条件图14：端部模拟图表8：模型端部的边界条件位置平移旋转后端后端〔所有纵向单元〕RL－－－RLRL后端独立点，见图13固定－－－Mv-endMh-end甲板，内底和外板－弹簧－－－－舷侧，内壳板和纵舱壁－－弹簧－－－前端前端〔所有纵向单元〕RL－－－RLRL前端独立点，见图13－－－－Mv-endMh-end甲板，内底和外板－弹簧－－－－舷侧，内壳板和纵舱壁－－弹簧－－－其中：－不施加约束〔自由〕RL刚性连接到中心线中和轴独立点的所有纵向单元的节点注：1所有的平移和旋转位移均按照JTP规范第4/1.4节规定。2如未使用，前后端部的独立点在中是自由的。3如未使用，前后端部的独立点在中是自由的。4如未使用弯矩，前后端部的独立点在和中是自由的。5如使用弯矩作为节点力，前后端部的独立点相应的旋转自由度〔即和/或〕是自由的。3〕装载工况和有限元运算工况在采纳3维有限元方法对油船船体结构强度进行直截了当运算时，关于每种装载工况，需要对几种动载荷工况进行校核，如表10，每个有限元运算工况差不多上装载工况和动载荷工况的组合。本项目对JTP规范上要求的所有装载工况都进行了有限元强度运算。装载工况如表9所示表9：有限元直截了当运算装载工况表表10：强度评估〔有限元方法〕的动载荷工况a〕载荷分类依照JTP规范AppenxB规定，采纳三维有限元方法对油船船体结构强度进行直截了当运算时要考虑的荷载有：船体结构的重量〔基于净尺寸〕，货油舱和压载舱的内部压力〔静+动〕，舷外水的压力〔静+动〕，船体梁的垂向弯矩和剪切力，船体梁的水平弯矩，甲板上的荷载〔甲板上的规范最小静压力+上浪荷载〕。分析时运算荷载、加速度的载荷参数和位置按照JIP规范要求，如表11所示。加载时，依照单元中心运算所得的压力，以压力常数加载于单元。表11：载荷运算时载荷参数的位置参考点c〕载荷及其组合依照JTP规范的要求，各种装载工况下施加的载荷，见表12。d〕船体梁附加弯矩和切力运算三舱段有限元模型依照JTP规范要施加相应的船体梁载荷。船体梁载荷分为静水载荷和波浪载荷两部分，分别包括静水弯矩、剪力，垂向波浪弯矩、剪力和水平波浪弯矩、剪力等。船体梁载荷各成分依照装载状况许用的最大值或规范运算值按照JTP规范第7/6节的要求进行组合，最终确定的船体梁载荷加在模型端面的独立点上。表12：各种工况下载荷的组合载荷组合载荷重量SS+DA+---+-露天甲板--船体外壳+-压载舱(顺序交换)两式大者：a)b)++货油舱(包括压载舱)+-其它液体舱+水密边界-干燥区域的内部甲板+-重型部件处的甲板+-对施加JTP规范要求的边界条件的三舱段有限元模型，除按工况规定的装载状态进行局部载荷施加外，还需要调整三舱段有限元模型的船体梁水平弯矩、垂向剪力和垂向弯矩的分布，以使特定位置处达到目标值。弯矩平稳和剪力平稳的调整见JTP规范附录B/2.5，做法是依照简支梁的原理，第一求出施加局部载荷所引起的三舱段有限元模型中部舱前后舱壁处的剪切力、邻近中间处的弯矩、模型两端的支反力，由此得到每档强框架位置上所要施加的附加垂向分布载荷，按规范要求施加于每档强框架位置处，以使前舱壁处达到规范规定的目标值。运算出局部载荷包括附加垂向载荷在内所引起的中部舱最大弯矩，由此得到有限元模型端部的附加垂向和水平弯矩，施加在模型两端的独立点上，以使中部舱最大弯矩处达到目标值。具体做法为求出模型一端到目标位置之间所有单元上作用力或者单元各节点力(包括三个重量)。然后由积分或求和得出这部分模型的局部载荷在目标位置处产生的附加船体梁载荷，因此所应该施加的垂向分布载荷以及附加垂向和水平弯矩也就能够确定了。4〕应力衡准JTP规范规定所有的结构构件按各部分荷载运算得到的应力组合成等效应力进行校核即vonMises应力，本文所给得应力运算结果均为vonMises应力。a〕三舱段有限元应力衡准依照JTP规范9-/2.2.5规定关于舱室内部结构以及舱室边界结构构件的应力屈服因子如表13所示。关于该油船的舱段有限元校核的运算工况都属于静+动的工况组合，因此关于舱室的内部结构构件其强度应满足屈服因子小于等于1.0，关于舱室边界结构其强度应满足屈服因子小于等于0.9，关于内底、外底、槽型横舱壁、密性肋板、密性纵桁及腹板应满足屈服因子小于等于0.8强度衡准。b〕局部模型有限元应力衡准舱段有限元模型中，假如位于应进行细化网格校核区域的单元vonMises应力超出表13规定的许用值，那么由细化网格分析得到的，面积相当于舱段有限元模型网格大小的细化网格vonMises应力运算结果的平均值应不超过表14规定的许用值。最大许用应力基于50X50的网格大小。假如使用更小的网格，那么应依照附录B/3.5.1，用与上述网格尺度面积相当的单元平均vonMises应力与许用应力比较。表13：不同部位构件的应力衡准值表14：细网格分析的最大许用膜应力5〕运算结果该运算采纳Sesam软件对该HANDYSIZE型油船的3号、4号和5号三个舱段进行了基于JTP规范的强度运算分析。运算结果分别给出了JTP要求的运算工况下舱段各要紧构件的应力运算值。对有限元运算应力结果的评估分为两部分：a〕三舱段有限元评估三舱段有限元评估的目的是校核纵向构件、要紧支撑构件和横舱壁的强度。依照JTP规范规定，中间舱段〔本项目中为四号舱段〕由于排除了边界的阻碍，其运算结果是可信的，可作为校核的依据。舱段结构的详细应力分布图示意图详见附录。附录中给出了在运算工况下四号舱段的各要紧部位处应力的最大值及分布位置〔包括甲板，内底板，外底板，内舷侧板，外舷侧板，纵舱壁〕以及舱段内其他高应力值及显现的部位。纵观全部运算结果能够看出：甲板结构满足强度校核的要求，且材料使用率较高，应力分布出现与纵舱壁、舷侧相交的纵向部位处为大应力条形区域的特点。内底板整体应力水平适中，结构满足强度校核要求。外底板在货舱中部区域一部分的应力相对较高，但由因此高强度钢〔缘故见屈曲校核部分〕，满足强度校核的要求。外舷侧板、内舷侧板满足强度的校核要求，且材料使用率较高。应力分布出现在与甲板、内底相交的邻近区域为应力水平较高区域的特点。水密横舱壁在各运算工况下应力水平居中，满足强度校和的要求，且材料使用率较高。在舱段其他部位，甲板横梁端部有一个高应力点，一是由于网格的形状不是专门好，二是对邻近的结构进行了加强，因此可不能引起结构的损害。运算说明，该油船在危险工况下，按规范要求校核的要紧构件如水密横舱壁、内底板、外底板、内舷侧、外舷侧、甲板的应力水平满足JTP规范的强度衡准要求。详细的应力分析见附录。b〕局部模型评估局部细网格有限元分析的目的是为了校核局部结构应力水平。通过对该项目三舱段模型运算结果的分析，发觉横舱壁的壁墩和纵舱壁的壁墩局部应力比较高，通过细网格有限元分析，应力水平在表14的衡准之内，满足JTP规范的要求。对一般钢:不临近焊缝的单元σvm≤(235×λy)/1.00=235×1.70=399.5N/mm2(S+D)σvm≤(235×λy)/1.00=235×1.36=319.6N/mm2(S)临近焊缝的单元σvm≤(235×λy)/1.00=235×1.50=352.5N/mm2(S+D)σvm≤(235×λy)/1.00=235×1.20=282.0N/mm2(S)对高强度钢:不临近焊缝的单元σvm≤(235×λy)/0.78=301.3×1.70=512.2N/mm2(S+D)σvm≤(235×λy)/0.78=301.3×1.36=409.7N/mm2(S)临近焊缝的单元σvm≤(235×λy)/0.78=301.3×1.50=452.0N/mm2(S+D)σvm≤(235×λy)/0.78=301.3×1.20=361.5N/mm2(S)通过Sesam软件对局部模型进行应力运算，见图15~24。由运算结果得到：对纵舱壁的局部模型，最大的合成应力：航行状态下384N/mm2，港口状态下325N/mm2，他们的应力衡准要求分别为452.0N/mm2，361.5.0N/mm2。对横舱壁的局部模型，最大的合成应力：航行状态下433N/mm2，港口状态下333N/mm2，他们的应力衡准要求分别为452.0N/mm2，361.5.0N/mm2。由此结果看到是满足JTP规范的局部有限元应力的横准。图15：纵舱壁局部有限元模型图16：细网格区域的板厚图17：细网格有限元区域的材料图18：航行状态下的合成应力图19：港口状态下的合成应力图20：横舱壁局部有限元模型图21：局部有限元模型的板厚图22：局部有限元模型的材料图23：航行状态下的合成应力图24：港口状态下的合成应力三船体梁极限强度及屈曲强度评估1〕船体梁极限强度及评估关于极限强度的运算，采纳〝一步法〞进行运算。关于〝一步法〞要求的是仅适用于中垂状态下的船体梁极限弯曲能力预以评估和校核，以确保其符合规范要求的衡准。此衡准适用于在极端海况下的完整船体结构，并不包括中拱、港内或破旧情形。船体梁极限能力的运算方法是要确定所有要紧横向构件的临界失效模式。关于中垂状态下的油船，临界模式通常〔假定〕为强框架之间的甲板结构屈曲。假如结构受压超出了其屈曲极限，那么强度就会降低。为确定框架之间的最弱失效模式，需要考虑各个单独构件的所有相关失效模式。关于中垂状态下的油船，仅考虑极限垂向弯曲。船体梁垂向极限弯曲能力应满足以下衡准：依照JTP规范有关船体梁的极限强度校核有关规定，本项目采纳一步法的极限能力方法进行校核。由JTP规范船体梁极限承载能力，，由下式求得：2〕屈曲强度评估关于目标船的船体结构中承担船体梁压应力和剪应力的板材和纵桁，其屈曲强度评估采纳了初步屈曲运算校核方法，初步屈曲运算采纳IACSURS11规定的屈曲强度要求。在运算船体梁强度时，分别考虑轴心船体梁压强和船体梁剪应力。a〕板的单向屈曲对板的单向屈曲引入了屈服利用因子的概念，实际的屈服利用因子要满足以下衡准：η≤ηallow其中ηallow=0.9〔0.5倍型深以下〕，ηallow=1.0〔0.5倍型深以上〕η=σ/σcrη=τ/τcr其中σ为实际的压应力，N/mm2；σcr为临界压应力，N/mm2。τ为实际的剪应力，N/mm2；τcr为临界的剪应力，N/mm2。参考细长比λ由下式得出：λ=〔/〔KσE〕〕〔1/2〕其中K为屈服因子，见表15；σE为参考应力，N/mm2；σE=0.9E〔tnet/la〕2其中E为弹性模量，206000N/mm2；tnet为板格净厚度，mm；la为板格长度，mm，见表15；σyd为规定的材料最小屈服应力，N/mm2。承担压应力或剪切应力的板格临界屈曲应力，σcr或τcr分别由下式运算求得：σcr=Cσydτcr=Cσyd/〔3〕1/3其中C为折减因子，见表15表15：平面板格的屈服因子和折减因子续表15依照上述公式，对该油船进行板的屈曲校核时，依照船体板结构受力情形的不同按短边受压曲屈模式、长边受压屈曲模式、剪切应力屈曲模式分别对船体外板、内底板、甲板、舷侧外板、内壳板、船底纵桁、舷侧平台部位的板进行了临界曲屈应力的衡准运算。详细的运算结果见附录。通过对运算结果的分析发觉：非水密强框架除舭部部分不满足外，其他大部分都满足要求。水密的强框架都满足要求旁桁材部分不满足屈曲强度要求〔LCB3-2〕，需要适当增加板厚。底部在货舱中间的部分有一部分不满足屈曲强度要求〔LCB3-2〕，通过对比增加板厚、改成高强度钢和在板格中间加骨材之后，最后选在了在中加部分加一部分高强度钢和加几个短的骨材来解决问题。内壳舷顶列板最下面一列不满足屈曲强度要求〔LCB2-1〕，最后通过比较，把高强度钢的舷顶列板向下延伸了一列，解决了这一列板不满足要求的问题。外壳在货舱中间也有一部分不满足屈曲强度的要求〔LCB2-5B〕，通过对比研究，最后决定局部加厚板厚和加几个短的骨材来解决问题。其他部分都差不多上都满足屈曲强度的要求，详细结果见附录。四结论1〕确定了舯剖面的结构形式和构件布置收集分析参考船和依照总体性能研究的基础上，通过对HANDYSIZE型成品油船标准船型的舯剖面结构形式和布置进行研究，对许多因素，诸如：货舱舱型、构件骨架形式、纵向连续构件布置、结构材料选取、纵骨间距、强框架间距等阻碍船体结构强度、总纵强度储备和船体结构重量进行了全方位的考虑、多方案的比较运算分析。通过全面分析运算，确定目标船主船体结构参数，关于结构优化设计提出了合理的建议。货舱区典型横剖面结构形式、构件布置：货舱区船体结构纵向构件材料：为满足总纵强度等要求，除主甲板、甲板横梁、外壳舷顶列板和内壳舷顶列板采纳的AH32高强度钢，纵舱壁以下板、横舱壁、纵横壁墩顶板、壁墩斜板和旁纵桁920采纳AH36的高强度钢以外,其余均为普碳钢；高强度钢占主船体结构钢料总重的38%。货舱区纵骨间距：700mm。货舱区强框架间距：舷侧肋骨间距为700mm，强框架间距为2800mm；舯剖面纵向构件总纵强度裕度，为满足总纵强度等要求，甲板和底部的实船剖面模数分别为13.583m和19.972m，与规范要求的最小剖面模数11.852m和15.195m的比值分别为114.6%和131.4%。货舱区主船体重量较满足往常规范船舶增加约为10%。2〕研究确定纵、横舱壁结构形式和构件尺寸在液舱典型纵/横舱壁设计和优化方面，依照目标船的分舱、舱型设计和成品油船的设计要求，分别对不同槽深、不同剖面角的垂直槽型纵/横舱壁进行了设计比较运算和规范强度校核，并依照不同形式的横、纵舱壁结构重量方面的比较，通过减小结构重量和方便施工等多方面的考虑分析，确定了本型船的典型纵、横舱壁结构形式和构件大小。典型垂直槽型横舱壁结构形式：垂直槽型、设置下墩；槽型参数：槽深1160mm，面板宽度1140mm，腹板宽度1189mm；舱壁构件尺寸：舱壁板厚分别为19.5(AH36)mm。垂直槽型纵中舱壁：结构形式：垂直槽型、设置上下墩；槽型参数：槽深1160mm，面板宽度1140mm，腹板宽度1189mm。舱壁构件尺寸：舱壁板厚分别为：19〔A〕mm、19(AH36)mm。3〕应用有限元分析方法运算评估船体结构屈服和屈曲强度通过依照JTP规范要求，建立三舱段结构有限元模型，应用有限元分析技术，包括载荷运算、加载技术、中部舱段的弯矩和剪力调整技术等，并依照JTP规范的强度衡准进行结构有限元粗网格运算分析、结构屈服和屈曲强度评估，对初步规范设计结构构件提出进一步的完善和改进建议。4〕应用〝一步法〞运算校核船体梁极限强度依照JTP规范要求，应用〝一步法〞运算中垂状态下船体梁的极限强度，考虑甲板加筋板格的有效抗屈曲能力，应用船体梁折减后的有效抗屈曲面积及惯性矩，运算船体梁的极限抗弯弯矩，并依照JTP规范衡准要求，校核中垂工况下的船体梁极限强度安全系数。5〕应用初步屈曲强度运算方法校核船体屈曲强度依照JTP规范要求，应用初步屈曲强度运算方法校核船体屈曲强度，分别校核了甲板板、内外底板、舷侧外板、内壳板及槽型舱壁板等板格的临界屈曲应力，并依照JTP规范衡准要求，校核完成船体屈曲强度，通过适当的构件尺度修改，使目标船的屈曲强度满足规范要求。四疲劳评估与节点设计优化研究关于双壳油船结构的疲劳强度评估有两种方法，分别是〝名义应力法〞和〝热点应力法〞。名义应力法是基于梁理论的疲劳强度简化评估方法；关于结构或载荷复杂的关键部位就要采纳数值方法〔细化网格有限元分析〕运算疲劳应力和焊趾位置的热点应力，进而分析结构的疲劳寿命，这确实是疲劳强度评估的热点应力法。1〕纵骨疲劳强度评估——名义应力法纵骨节点是船体结构中比较容易产生疲劳现象的构件，是疲劳校核的重要组成部分。按照JTP规范的要求，采纳DNVNAUTICS软件对HANDYSIZE型成品油船肿剖面上船体纵骨节点进行疲劳校核，评估该船纵骨疲劳强度特点，提出改善纵骨疲劳寿命的优化结构节点形式。a〕校核截面、纵骨及载荷确定纵骨疲劳强度评估所选择的校核截面为肿剖面；纵骨为选择截面上纵向强力构件。节点为截面和纵骨的交点。考虑内、外、动、静载荷的阻碍，研究的实质是在不同装载工况对研究节点静载荷作用下，最终阻碍在疲劳分析节点上的动载荷。b〕应力成分运算和应力组合应力成分包括整体应力和局部应力，整体应力包括波浪诱导垂直弯曲应力和水平弯曲应力，局部应力包括外压力和内压力引起的应力。关于外压力和内压力需分别运算。最后必须通过应力组合运算出用于运算疲劳寿命的应力范畴。c〕改进节点纵骨节点疲劳寿命要求大于25年，不满足要求的纵骨节点需对纵骨和横舱壁或强肋框的连接形式作修改。要紧是改进连接肘板的尺寸，通过少许增大肘板尺寸、增加纵骨尺寸和改变段部连接形式来提高纵骨的疲劳寿命。增加肘板的尺寸能够减小纵骨跨度，增加纵骨能够使得局部应力下降，改变端部连接形式能够改变纵骨的疲劳等级。通过用DNV的NAUTICUSHULL软件运算，在运算中发觉：假如端部骨材用到150mm以上，疲劳等级就从F降低到了F2，疲劳不满足要求。后来研究规范看到：〝假如附件的长度小于或等于150mm，S-N曲线可比表中规定曲线提高一级。例如，表中所示的F2升级成F。附件长度定义为焊接于纵向骨材面板上的不扣除扇形孔的长度。〞〔见附录B-表C.1.7〕。依照规范如此的要求，我们把端部的骨材都用到了150mm，如此底部和内地骨材的疲劳强度就满足了25年的规范要求。但甲板和舷侧的部分纵骨依旧不满足疲劳年限的要求，对其中不满足要求的骨材的端部形式做了适当的调整，加了两端的肘板，满足了规范的要求。c〕纵骨疲劳校核结果在对局部节点进行反复改进设计后，运算舷侧纵骨在相邻强肋框架之间两端连接节点处的疲劳损害和疲劳寿命。最终运算结果综合到表16中。2〕热点位置的疲劳强度评估——热点应力法a〕热点应力法校核部位的确定对双壳油船的结构进行疲劳强度评估，JTP规范附录C/2规定了热点应力法适用于内底与底边舱斜板的焊接折角处的疲劳分析。该部位的具体结构形式如图25所示。图25：疲劳热点位置示意图表16：肿剖面纵骨疲劳寿命续表16续表16续表16续表16续表16续表16续表16续表16续表16同时，规范规定：在货舱中部强框架上，应对至少一个内底和边舱斜板折角接头进行疲劳运算，同时仅需运算船体的一侧。本项目对FR135的右舷内底与底边舱斜板的焊接折角处采纳热点应力法进行疲劳强度校核。b〕结构建模疲劳评估的热点应力运算要求在高应力集中区使用精细有限元网格。这种精细网格分析，能够采纳独立的精细网格局部有限元模型，并结合舱段有限元模型得到的边界条件一起进行运算，也能够把精细网格模型嵌入到舱段有限元模型中进行运算。依照JTP规范对精细网格的单元类型与尺寸大小的要求，在精细网格区内使用具有弯曲和膜特性的四节点单元；对靠近折角的第一根纵向加强筋和离开框架的任何短梁和肘板，使用壳单元建模；在疲劳热点位置处的网格尺寸大小为tnet50Xtnet50，同时这种网格尺寸在疲劳热点的所有方向上至少延伸10个单元。此外，板材的净厚度的运算也有规定：在疲劳热点位置所有方向至少500㎜的范畴内，以总厚度减去一半腐蚀余量厚度得到的净厚度为基础建模；在其它区域，以总厚度减去四分之一腐蚀余量厚度后得到的净厚度建模。有限元模型见图26~29：图26：热点应力分析局部模型图27：细网格区域1图28：细网格区域2图29：细网格区域3c〕载荷工况JTP规范中指出评估疲劳应力范畴时仅考虑动载荷，不必包括静载荷。同时，分别按满载工况和压载工况给出了边舱折角接头的载荷工况，以及弯矩修正工况，详见表17～表32。表17:满载工况下的载荷工况满载工况应力范畴作用载荷L1外部动压力〔仅应用于运算边舱折角的船体梁一侧〕L2外部动压力〔仅应用于不运算边舱折角的船体梁一侧〕L3纵向加速度引起的物资内部压力L4横向加速度引起的物资内部压力L5垂向加速度引起的物资内部压力表18:压载工况下的载荷工况满载工况应力范畴作用载荷L6外部动压力〔仅应用于运算边舱折角的船体梁一侧〕L7外部动压力〔仅应用于不运算边舱折角的船体梁一侧〕表19:弯矩修正工况弯矩修正工况应力范畴作用载荷C1单位垂向弯矩施加于舱段模型端部C2单位水平弯矩施加于舱段模型端部d〕边界条件依照附录B，施加到舱段有限元模型的边界条件见表20表20：模型端部的边界条件e〕边舱折角接头处的热点应力评估〔1〕有限元模型的应力分析应用SESAM分别运算工况L1～L7和C1、C2下，结构的应力水平。各工况下边舱折角接头处面应力的y向〔船宽方向〕应力分布图如图30～图38所示。图30：L1工况下Y方向应力分布图图31：L2工况下Y方向应力分布图图32：L3工况下Y方向应力分布图图33：L4工况下Y方向应力分布图图34：L5工况下Y方向应力分布图图35：L6工况下Y方向应力分布图图36：L7工况下Y方向应力分布图图37：L8工况下Y方向应力分布图图38：L9工况下Y方向应力分布图〔2〕边舱折角接头处热点应力的确定及修正边舱折角处的热点应力：从距焊趾位置起0.5t处的表面应力。如图39所示。此应力可采纳结构交接点的第一个和第二个单元的应力，通过线形内插法得到。图30：热点应力考核点位置图依照附录B/4.5.2对各工况运算得到的热点应力范畴做如下修正，以排除船体梁垂向和水平弯矩带来的应力：Sc_i=sc_i-Mv_isVBM-MH_isHBM依照DNV疲劳运算表格修正后的应力见表21表21：热点应力修正〔3〕疲劳寿命的运算依照DNV运算表格，运算后的疲劳寿命见表22〔4〕疲劳寿命阻碍因素的分析通过对热点疲劳节点形式的研究发觉，对疲劳寿命阻碍的因素要紧有以下几个方面：一是内底板板厚的阻碍，每增加2mm板厚，疲劳年限大致增加2~4年；二是背肘板大小和形状的阻碍，对该目标船来说，肘板的大小在800mm左右时，自由边为弧形是疲劳年限较好；三是底边舱斜板与内底板之间的夹角的阻碍，通过研究夹角在接近45°疲劳年限较好。表22：热点应力修正后的疲劳寿命3〕研究结论a〕关于纵骨疲劳强度评估HANDYSIZE型成品油船大多数的纵骨满足疲劳寿命的要求，各截面有部分纵骨不满足疲劳寿命要求，要紧集中在甲板纵骨、舷侧外板顶部及舭部区域、外底板舭部区域纵骨、底板舱斜板纵骨，这是这些部位的船体垂直弯矩和水平弯矩都比较大的缘故。另外水线邻近的纵骨疲劳寿命低，是水线邻近的水动压力较大，引起较高的纵骨局部弯曲应力的缘故。对设计中不满足疲劳寿命要求的纵骨结构进行了结构改进，要紧是改进连接肘板的尺寸，通过少许增大肘板尺寸、增加纵骨尺寸和改进端部连接形式等方法来提高纵骨的疲劳寿命。增加肘板的尺寸能够减小纵骨跨度，增加纵骨能够使得局部应力下降，优化端部连接形式能够提高疲劳等级。b〕关于热点位置的疲劳强度评估按JTP规范要求对该船内底与底边舱斜板的焊接折角处进行了热点应力法的疲劳强度分析，运算结果说明该热点部位的累积损害为0.831，疲劳寿命为30.1年，满足JTP规范规定疲劳寿命为25年的要求。五研究成果的应用情形1〕应用前景目前船舶市场活跃，作为主力船型之一的油船的典型船型，HANDYSIZE型成品油船以其优异的综合性能一直得到众多船东的青睐，具有宽敞的市场前景。2〕取得的经济效益通过本课题的优化研究，有效操纵了结构重量，，共签订造船合同22艘，总合同金额约为亿美元。