1、 毕业设计文献综述 船舶与海洋工程 42000DWT 散货船结构强度设计（ CCS） 一、 散货船概述、发展历史及现状 散货船是散装货船简称，是专门用来运输不加包扎的货物，如煤炭、矿石、木材、牲畜、谷物等。散装运输谷物、煤、矿砂、盐、水泥等大宗干散货物的 船舶 ，都可以称为 干散货船 ，或简称散货船。因为干散货船的货种单一，不需要包装成捆、成包、成箱的装载运输，不怕挤压，便于装卸，所以都是单 甲板 船。 20 世纪 50 年代以前没有专用散货船，都是用普通杂货船运输散货 .粮食、 水泥等散货的流动性比液体小，都有一定的休止角，因而装这些散货时在舱口围扳内装满后， 舱口四周的甲板下仍留有一个楔形
2、空档。船在海上发生横摇后，散货流向空档，形成横贯整 个船宽的自由表面。出现较大横摇时散货将流向一舷， 船随即横倾，在风浪中很容易发生倾覆事故 1。据统计，20 世纪 50 年代全世界有 150 余艘运送散货的船发生海损事故。为了解决这个安全问题， 才逐步形成了现在广泛应用的典型专用散货船结构型式：两舷布置顶边舱加高舱口围板以保证满舱，两舷布置底边舱便于清舱，也能增加抗沉性；双层底和四个边舱区采用纵骨架式结构以保证船体总纵强度，两舷边舱之间水线附近的总纵弯曲应力很小，采用结构比较简单的横骨架式结构； 两个货舱口之间的甲板不参与保证总纵强度，这里的甲板板明显地 比舱口线以外的甲板板薄，骨架也减弱
3、.典型专用散货船的出现， 较好地解决了散货流动问题，改善了散货运输的安全性，使海上散货船运输进入一个新的发展阶段。在随后的几十年里散货船得到了迅速发展， 1960 年只有 1/4 的散货由单甲板承运，而自 1980 年以来，几乎所有的散货都由专用的散货船承运 .20 世纪 80 年代中期以后，散货船船体损伤引起的沉船事故逐渐增多，散货船的安全问题再度受到世人关注，目前已经出现了双壳体结构散货船，虽然双壳体散货船的空船重量和建造成本有所增加，但其安全、经济和运营优势越来越得到航运界的认同，散 货船的双壳化已是大势所趋 2。 中国正处于工业化进程中期的重化工业化阶段 , 对煤炭、 铁矿石等原材料和
4、能源物资的需求猛增。对资源的大量需求导致我国对国外资源的依存度提高。相应地 , 我国对各类资源特别是铁矿石、 钢材、 氧化铝等于散类货物的进口量都大幅增长。中国经济的高速增长已成为影响世界海运和造船市场的主要因素。在全球干散类货物海运量持续增长的作用下 , 未来 10 至 15 年散货船市场都将保持旺盛需求 3。 二、散货船船结构强度分析及设计 按规范进行结构设计的一般流程是：首先，根据对母型船的调查研究 和所设计船的特殊要求，分析所设计船的船体强度要求，选择合适的建造规范。然后，根据型线图和总布置图，绘制中剖面图、基本结构图和肋骨线型图等草图，并进行结构构件的初步布置。最后，按规范计算船体主
5、要构件的尺寸，边计算、边绘图、边完善初始的结构布置方案。 其中，我们运用有限元方法对构件、结构进行强度分析，从而确定其构件尺寸及结构形式。 以下是国内外学者在相关领域中的一些研究成果。 刘文华在文献 4 中介绍了依据散货船结构共同规范，采用 MSC Patran/Nastran、 CCS 船级社开发的 CSR 计算软件 CCS-Tools 和 LR 船级社的ShipRight SDA 2007，对 30000t级散货船进行了货舱结构的整体有限元分析、高应力区域细化网格有限元分析和疲劳敏感区域精细网格有限元分析，并就所遇问题进行探讨。根据 CSR 要求， 船长 150 m 及以上的船舶，应基于三
6、维有限元方法进行主要支撑构件的直接强度评估。其中包括整体舱段有限元强度分析（有限元分析第一步），用于评估货舱结构主要支撑构件的整体强度；详细应力评估（有限元分析第二步），用细化网格评估高应力区域；热点应力分析（有限元分析第三步）， 用精细网格计算应力集 中点的热点应力，以进行疲劳强度评估。并且简要介绍了 CSR 给散货船直接强度计算带来的影响。 章漪云在文献 5中针对世界上集装箱航运市场竞相发展的大舱口多用途散货船型 , 以中国船舶与海洋工程设计研究院和江南造船 (集团 )有限责任公司联合研制的 50 000 吨大舱口散货船为对象 , 介绍了该船船体结构的基本特点 , 增加船体抗扭特性和改善船
7、体甲板室振动的措施 , 为促进船舶事业的发展提供了一定的设计经验。 王国强等在文献 7中主要介绍了 45000DWT 散货船在结构设计中的设计特点、强度计算，并作了简要分析。该船具 有同等吨位散货船的共性，但是由于宽深比和航线的影响，又使得它具有比较明显的个性。在结构设计上注意经济性的把握，同时在结构强度上又能满足要求。作者通过总纵强度和有限元计算得到了以下结论：散货船装载工况多而且比较复杂，在总纵强度计算上尤其是屈曲强度计算上，需要按照规范要求进行有限元分析，这时候的屈曲校核成为双向屈曲的校核，并且在评估标准上有所不同。另外，顶边舱强框按照规范计算以后需要及时作有限元计算进行应力分析，在强框
8、角隅的地方容易出现应力集中，部分区域甚至会有局部屈曲的问题出现，所以强框架结构的设计仅仅依靠规 范公式的要求是不够的，这是需要慎重考虑。 胡适军在文献 9中简要介绍浙江省某海运公司开展了 3 万吨级浅吃水节能型散货船设计研究项目实践过程和方法 , 对影响船舶结构强度 , 运行性能及经济性的重要参数的选取 , 主要机电设备的选型论证等关键问题进行分析与说明 , 供新型船舶的开发、研究及应用参考。该 3 万吨级浅吃水节能型散货船设计研究项目完成的质量已达到或超过预定的目标 ; 与其他同类船舶相比 , 它具有更合理的结构与布局 , 突现出其经济性和市场竞争力。 肖锋等在文献 10中基于 CSR 共同
9、规范提出的逐步 破坏分析法 ,自编船体梁极限强度计算软件 ,对多艘各种类型结构船舶进行计算 ,得到与多位学者相近的结果。与用有限元程序 Patran建模、 MSC /Marc 计算优选散货船得出结果也有很好的近似。计算结果表明 , CSR 的方法有较高的精确度。通过对三种船型的极限强度计算 ,并与其他学者计算值比较后发现 ,本文中根据 CSR 中的逐步破坏分析方法编制的软件精确性较好 ;对一艘优选散货船的计算和有限元计算后发现两个结果值有较好的拟合 ,证明 CSR中逐步破坏方法的精度较高、 使用方便。本软件可为船舶设计提供参考。 林平根等在文献 13中采用大型通用有限元分析软件 MSC .Na
10、stran，分别对 25 000DWT 单壳、双壳散货船进行了横向强度的有元分析，得出了在不同工况中舱段内货物压力、舷外水压力、波浪压力等作用下船体舱段结构的结构响应，对两船的计算结果进行了对比分析。计算结果对单双壳散货船的设计具有指导意义。文章采用有限元方法对单双壳散货船进行横向强度对比分析，证明了双壳散货船具有更好的横向强度及稳定性。强框架作为横向载荷的主要受力构件，在双壳船中需承担更大的负荷。而无论是单壳还是双壳散货船，开口角隅等结构突变处 均存在应力集中问题，特别是在隔舱满载工况中更为严重。 卢华在文献 15中分析了共同结构规范 (CSR)对好望角型散货船设计的影响 ,并着重就好望角型
11、散货船为适应 CSR所进行的优化改进设计 ,以及对工艺方法的最新成果的应用作了介绍。该开发项目整个设计满足了 CSR要求 ,同时也取得了较好的经济效益。根据 BV 船级社的退审图纸对重量进行了重新核算 ,全船结构重量增加控制在预期目标内 ,各区域增加为：艏部结构 2% ,货舱纵结构 7% ,货舱横舱壁 11% ,货舱其他结构 5% ,机舱结构 3%,甲板室 0%,其他 0%。经总结发现 ,CSR 对船体结构重量的影响主要为 :(1)货舱槽形舱壁腐蚀余量的大幅增加使其重量增加比例最大。 (2)全船结构重量增加的主要部分为货舱结构的纵向构件 ,其次为横向构件。(3)舷娓和机舱结构除水密舱壁和舷部砰
12、击有所加强外 ,其余无太大变化。 (4)上层建筑等与原规范要求相同 ,不做修改。 徐光晓等在文献 16中介绍了散货船共同结构规范的主要特点 , 并以 54500 DWT 散货船设计为例 , 分析了几处船体板材厚度与母型船相比明显增大的原因。指出了散货船共同结构规范的实施给散货船设计带来的影响。从 54 500 DWT散货船的设计可以看出 , 散货船共同结构规范在结构体系和内容上与 CCS 散货船规范有很大的差别 ,并且散货船共同结构规范明确规定了船体构件在满足该规范计算的基础上还必须满足有限元计算的要求。上述这些差别在设计中主要带来以下几个方面的影响 :(1)在板厚上 ,除以上提到区域外 ,
13、其他的板材平均增加 1-2mm 厚度 ,导致该船的钢料比母型船增加约 490t(约占整船钢材重量的 6.3%)。由于采用新规范使船体钢材重量有明显增加 ,因此在设计初期估算空船重量时应予以考虑。 (2)执行散货船共同结构规范也使得设计者必须依靠船级社开发的相 关软件进行设计。在规范计算方面 ,构件尺寸的计算公式相当复杂 ,而且多数涉及到受力计算 ,所以必须应用构件计算软件 ;而在有限元计算方面 ,计算的工况多达几十种 ,更需要依靠各船级社的有限元软件才能完成。 (3)执行散货船共同结构规范也使得船舶设计工作量增加、 设计周期延长。新规范对极限强度、细化和疲劳分析工作均有明确的要求 ,设计者需要
14、考虑的内容更多。另外 ,有限元计算已经不是构件计算的参考 ,而是确定构件尺寸不可缺少的部分 ,而且计算的内容除了屈服、 屈曲强度计算外 ,还增加了细化、疲劳分析的工作 ,从而使设计的工作量进一步加大 。 任淑霞等 在文献 18中 主要论述了满足共同规范的散货船的结构设计特点。根据设计经验，文章对散货船共同规范提出了三点建议： 1、 建议增加对顶推区域（船舶进港的码头拖轮对船舶顶推的作业区域）的规定（ GL 规范对此有规定）；2、建议增加对起居甲板甲板载荷的规定（各船级社规范均有规定）； 3、有限元计算中，校核标准中仅仅只有合成应力的许用标准，建议增加剪切应力的许用标准（各船级社规范均有规定）。
15、 JBP 还在不断完善中， 相信将来新版本出来会更加全面、更加合理。新规范的出现对设计院所提出了更高的技术要求，我们必须按照 CSR 新规范设计和开发散货船，研发新线型，在满足现有规范的基础上开发设计出更合理的结构形式 从而控制船体重量 保证装货量。 三、总结 船体结构强度问题包括总纵强度、局部强度、扭转强度、稳定性、应力集中和疲劳强度等问题，要保证船舶安全，就必须使船舶具有一定的强度和刚度。为了保证船体强度，必须分析清楚作用于船体或各个构件上的载荷大小，再根据钢质海船入级建造规范对船体结构的要求来确定船体结构的最佳尺寸，并对所设计的结构进行校核。在上述例子中，我们多次提到了有限元分析法。有限
16、元法是一种基于变分原理的把连续体离 散化的数值解法，具具有适应性强，效能较高等优点。应用有限元分析方法，可将船体结构离散为能精确模拟其承载模式和变形情况的有限单元，可详尽地表述船体结构的微观细节，真实地表达出各个构件间的协调关系与变化，可以求出各个关心构件或区域的实际变形与应力。这种方法是目前船体强度分析最准确、最完善的方法，也是在理性结构设计中，最能精确预报结构对载荷响应的结构分析方法。 船舶结构强度设计包括了船体外载荷的确定、船体结构在外力作用下的反应（即内力）研究、许用应力的确定、船体强度校核以及船体构件尺度的确定等一系列问题 20。 参考文献 1任孔愚 .大型散货船船体损伤事故及对策研
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