矿砂船船体结构强度直接计算指南(初排稿)中

中国船级社矿砂船船体结构强度直接计算指南20142014年7月1日生效北京Beijing指导性文件GUIDANCENOTESGD08-2014出版说明为适应国际上当前大型矿砂船的开发和设计的需要，配合国家开展大型矿砂船船型开发研究的计划，由原国防科工委立项，经造船工程学会委托，中国船级社在2009年基于我社《钢质海船入级规范》、《双舷侧散货船结构强度直接计算指南》、《油船结构直接计算分析指南》、《船体结构疲劳强度指南》等规范及指南的基础上研究编写了大型矿砂船结构强度直接计算指导性文件。近几年来，根据多型矿砂船的审图、入级反馈，我社重新修订了该指导性文件，形成了《矿砂船船体结构强度直接计算指南》2014稿。本指南的主要内容包括：1）规定了指南的适用范围、船型定义、符号；2）整船直接计算的建模要求、工况定义、载荷计算及应力衡准；3）舱段直接计算的建模要求、工况定义、载荷计算及应力衡准；4）细化网格详细应力评估的部位、建模要求、许用应力；5）疲劳强度评估的部位、计算方法及衡准；6）晃荡载荷要求下的压力计算、结构强度评估。-1-目录第1章总则1.1一般规定1.2定义1.3构件尺寸第2章货舱区域结构强度直接计算2.1一般规定2.2结构有限元建模2.3屈服强度评估2.4屈曲强度评估2.5详细应力评估第3章整船结构强度直接计算3.1一般规定3.2结构有限元建模3.3工况及载荷3.4惯性平衡及边界条件3.5应力衡准第4章疲劳强度评估4.1一般要求4.2有限元建模4.3工况与载荷4.4疲劳强度评估方法4.5主要构件应力评估4.6舱口角隅的应力评估附录1矿砂船波浪载荷计算规程第1页第1章总则1.1一般规定1.1.1本指南适用于船长150米及以上，整个货舱区域内通常建有单甲板、两道纵向舱壁和双层底、仅有中间货舱主要用于运输矿砂货物的无限航区、自航式矿砂船船体结构强度直接计算评估。矿砂船典型横剖面图见1.1.1。图1.1.1矿砂船典型横剖面1.1.2本指南给出了矿砂船整船、货舱段主要结构在规定载荷作用下的强度评估方法。1.1.3直接计算可采用适用的通用程序，如使用非通用程序时，送审单位还应提供所采用的计算机程序可靠性说明的文件。1.1.4送审的直接计算技术文件应包括：（1）所使用的图纸清单；（2）结构有限元模型的详细描述；（3）结构模型和相关属性图形；（4）所使用的材料特性详细情况；（5）边界条件的详细描述；（6）所施加的载荷的详细情况；（7）描述与载荷有关的结构模型的响应的图形和结果；（8）总体和局部变形的归纳与图形；（9）描述所有构件的vonMises应力，各方向应力和剪应力不超过强度标准的汇总和详图；（10）板格的屈曲分析和结果；（11）显示满足或不满足强度标准的结果表格输出；（12）必要时，对结构的建议修改方案，包括修改后的应力评估和屈曲特性。第2页1.2定义1.2.1单位制定义质量：吨（t）；长度：米(m)；时间：秒(s)；力：牛顿(N)或千牛顿(kN)；应力：牛顿/毫米2（N/mm2）；压力：千牛/米2（kN/m2）。1.2.2符号规定L——船长，m；与CCS《钢质海船入级规范》（以下简称《钢规》）第2篇第1章第1节的定义相同；B——船宽，m；与《钢规》第2篇第1章第1节的定义相同；D——型深，m；与《钢规》第2篇第1章第1节的定义相同；d——吃水，m；与《钢规》第2篇第1章第1节的定义相同；CB——方形系数；与《钢规》第2篇第1章第1节的定义相同；V——结构吃水下最大设计航速，kn；g——重力加速度，g=9.81m/s2；Cw——波浪系数；——海水密度，=1.025t/m3；σe——VonMises应力（N/mm2），σe=2xyyx2y2x3τσσσσ；σx——单元x方向的应力（N/mm2）；σy——单元y方向的应力（N/mm2）；τxy——单元xy平面的剪应力（N/mm2）；σl——船体梁纵向的应力（N/mm2）；σa——梁单元轴向应力（N/mm2）；σw——船体梁横向或垂向的应力（N/mm2）；τ——腹板总深度的平均剪应力（N/mm2）；K——材料换算系数，见《钢规》第2篇第1章第5节；E——材料弹性模量。对钢材，E=2.06×105N/mm2；ν——材料泊松比。对钢材，ν=0.3。1.3构件尺寸1.3.1除另有规定外，本指南直接计算中的构件尺寸指的是建造尺寸。第3页第2章货舱区域结构强度直接计算2.1一般规定2.1.1对于船长在150米及以上的矿砂船，应基于三维有限元分析进行货舱区主要构件的直接强度评估。2.1.2舱段区域结构强度有限元直接计算分析按以下要求进行：（1）结构有限元模型的生成按照本章2.2要求进行；（2）屈服强度直接计算分析按照本章2.3要求进行；（3）屈曲强度直接计算分析按照本章2.4要求进行；（4）详细应力分析按照本章2.5要求进行；2.1.3舱段结构强度直接计算分析的流程图见图2.1.3。图2.1.3舱段有限元直接计算流程2.2结构有限元建模2.2.1一般要求2.2.1.1用于货舱区主要构件屈服强度、屈曲强度、详细应力评估以及用于疲劳分析的热舱段有限元直接计算疲劳分析的热点应力评估载荷、边界条件施加屈服强度评估屈曲强度评估细化网格模型舱段有限元基本网格模型高应力区域的详细应力评估附加弯矩载荷、边界条件施加疲劳强度分析的装载工况定义精细网格模型屈服、屈曲强度评估的装载工况定义第4页点应力评估的三维有限元模型应按照本节要求进行。2.2.1.2所有主要构件应在有限元模型中建模，包括：外壳和内壳、双层底肋板和桁材系统、横框架和垂直桁材、水平纵桁以及横舱壁和纵舱壁。这些构件上的所有板和扶强材均应建模。2.2.2模型范围2.2.2.1用于屈服强度、屈曲强度、详细应力评估直接计算的舱段有限元模型，应选取货舱区以目标舱为中心，艏艉各延伸1/2货舱长，即1/2个货舱＋1个货舱＋1/2个货舱，见图2.2.2.1(1)。模型端部应延伸至邻近强框架位置，见图2.2.2.1(2)。垂向范围为船体型深，包括舱口围板结构。如舱段结构与计算载荷对称与纵中剖面，模型可取左舷，即横向为船体型宽的一半。评估目标舱为中间舱段包括前后舱壁、凳结构区域。图2.2.2.1(1)屈服模型范围图2.2.2.1(2)舱段有限元模型2.2.2.2用于疲劳强度的热点应力评估的有限元模型，应选取货舱区以目标舱为中心的三舱段全宽模型，且端部需根据实际结构包括完整的舱壁、凳结构，见图2.2.2.2。图2.2.2.2舱段有限元全宽模型第5页2.2.3坐标系规定x——沿船长方向，向首为正；y——沿横向，从纵中剖面向左舷为正；z——沿垂向，基线向上为正。2.2.4舱段有限元模型2.2.4.1选择单元类型应按照以下原则：（1）承受侧向载荷的扶强材使用梁单元，不承受侧向载荷的扶强材可使用杆单元。（2）船体的内外壳板、强框架、纵桁、肋板、平面舱壁桁材、肋骨等的高腹板以及槽型舱壁和壁凳用板单元模拟。建模中应尽可能使用少使用三角形单元，特别是高应力区域和开孔周围、肘板连接处和折角连接处等应力梯度大的区域，应避免使用三角形单元。（3）板单元长宽比应不超过3，在可能产生高应力或高应力梯度的区域，板单元的长宽比应尽可能接近1。2.2.4.2有限元网格应尽可能遵从结构中骨材的实际排列方式，以表示骨材之间的实际板格，具体划分时应按照以下原则：（1）船底板、舷侧外板、甲板、纵舱壁、内底板，横向每相邻两个纵骨之间为一个单元，沿纵向，单元长度应不大于纵骨间距的两倍；对于边舱横舱壁、制荡舱壁，每相邻垂直扶强材之间为一个单元；横框架、垂直桁材、撑材和水平桁材上，每相邻腹板加强筋之间为一单元。（2）双层底纵桁和肋板、甲板强横梁、边舱强框架及其水平桁、边舱横撑材沿腹板高度至少划分3个网格。如果腹板高度较小，则可以划分两个网格，但在腹板每两个相邻加强筋之间至少为一个网格，且与相邻构件的网格匹配。（3）边舱强框架的网格应描述强框架上开孔的实际形状；对主要支撑构件的大肘板自由边的曲率应准确描述，以避免由于几何不连续导致不真实的高应力。（4）槽形舱壁和壁凳应用壳单元建模，模型应包括壁凳隔板和壁凳板上的内部纵向、垂向加强筋，槽条面板、腹板的壳单元网格应遵循壁凳的骨材间距。（5）以梁单元建模的骨材，应与实际结构位置匹配，弯曲中心或者剪切中心偏移方向与带板法线方向一致，并与板单元协调。2.2.4.3在前后端面中和轴与纵中剖面相交处各建一个独立点，端面各纵向构件节点自由度与独立点相关。2.2.4.4结构尺寸采用船舶建造厚度，应充分反应基于强度原因的加强，但对于船东的特殊设计要求的尺寸或加强不予考虑。2.2.4.5板单元许用应力标准采用的是膜应力，即：弯曲板单元的中面应力。梁单元采用的是轴向应力。第6页2.2.5细化网格模型2.2.5.1按照本章2.5进行详细应力评估的有限元模型中高应力区域的网格细化应满足本条要求。2.2.5.2高应力区域细化分析模型使用以下两种方法：（1）细化区域可直接包含在整船分析的有限元模型中。（2）细化区域的详细应力可用单独的子模型分析。2.2.5.3细化网格划分应满足以下原则：（1）细化区域的单元尺寸应为相应区域普通扶强材间距的四分之一左右或八分之一左右。（2）单元的长宽比不超过3，四边形单元的角应尽可能为90°，或者在45°和135°之间，应尽量避免三角形单元的使用。（3）细化网格区域内所有板材应以板单元表示，包括扶强材。2.2.6精细网格模型2.2.6.1按照第4章要求进行疲劳分析的热点应力评估的有限元模型的热点区域精细网格细化应满足本条要求。2.2.6.2用于热点应力评估的整舱段有限元模型范围应满足2.2.2.2要求，热点区域应采用精细网格建模，见图2.2.6.2。图2.2.6.2精细网格的整体舱段模型的部分2.2.6.3热点区域精细网格单元尺寸应近似等于评估区域的板净厚度，单元长宽比应接近1，过渡网格应从热点位置向外所有方向至少四分之一肋骨范围。第7页图2.2.6.4精细网格过渡区域示意图2.2.6.4网格尺寸应从精细网格逐渐过渡到细化网格，过渡区域如图2.2.6.4所示。过渡区域内所有构件，包括肘板、扶强材、纵骨、横框架面板凳，应使用板单元建模。焊接的几何形状不必建模。2.2.6.5精细网格有限元模型单元尺寸采用净厚度，按照建造厚度减去0.5tc求得。主要构件腐蚀增量tc见表2.2.6.5。船体主要构件腐蚀增量表2.2.6.5舱室类型构件腐蚀增量(mm)压载舱主要支撑构件面板舱顶3m范围内2.0其他位置1.5其他构件舱顶3m范围内1.7其他位置1.2干散货舱横舱壁上部（1）2.4底凳：斜板、垂直板和顶板5.2其他部分3.0纵舱壁下部（2）、内底板没有连续木铺板3.7其他构件上部（1）1.8其他部分2.0暴露于大气露天甲板1.7其他构件1.0暴露于海水1.0第8页燃油舱和滑油舱0.7淡水舱0.7空舱不经常进入的处所，如仅能通过人孔、管隧等才能进入，与干散货舱或压载舱相邻的凳处所的内表面0.7干舱机器处所、泵舱、储藏室、舵机处所等舱室的内部0.5注：（1）干散货舱上部对应于货舱高速的上三分之一区域。（2）纵舱壁为整体倾斜，则为内底向上1/3区域。纵舱壁为上部垂直下部倾斜，则为下部倾斜区域。2.3屈服强度评估2.3.1一般要求2.3.1.1货舱区船体结构屈服强度评估应按照本节要求进行。2.3.2计算工况2.3.2.1屈服强度典型计算工况的选取按照表2.3.2.1的要求。2.3.2.2对于装载手册中未设计多港装载的船舶，多港口1（MP1）、多港口2（MP2）、多港口3(MP3)、多港口4(MP4)、多港口5(MP5)、多港口6(MP6)可不校核。2.3.2.3除表2.3.2.1规定的典型工况，还应考虑装载手册中其他特殊装载工况。2.3.2.4对于拟取得EL100附加标志的船舶，应补充下述快速装载过程中的港内工况；如快速装载手册中存在更为严重的其它装载工况，也应进行结构强度直接计算。屈服强度计算工况表2.3.2.1序号名称装载模式吃水静水弯矩1均匀满载-轻货TSCMSW,