1、 毕业设计文献综述 海洋科学 7200DWT 多用途货船结构规范设计 摘要： 多用途货船是继散货船、油船和集装箱船三种主流船型外需求量较大的船型，原因不仅仅在“多用途”上，而且在合理的强度结构设计上。本文主要就多用途货船在总纵强度、局部强度以及疲劳强度上存在的问题以及船舶行业对其所采取的措施进行了探讨。 关键词： 多用途；总纵强度；局部强度；疲劳强度 一、前言 多用途货船 是一种既 可 用于 运载集装箱、木材、矿砂、谷物或其他杂货等多种货物 ，也 能载运普通件杂货 、 散货、大件货和一部分集装箱以及冷藏货的货船。通常 多用途 货船分为 双甲板、尾机型和大舱口，并配有大起重量的回转式起重机 以及
2、 装卸集装箱。 多用途货船 对货物品种适应性 非常 强， 而且 营运经济性 也 较好 ，在 交通运输已成为制约经济发展瓶颈 的当务之急，多用途货船扮演了相当重要的角色 。 它是继 散货船、油船和集装箱船三种主流船型外 需求量较大的船型，原因不仅仅在“多用途”的结构设计上，更重要的是在合理的强度结构设计上。 二、总纵强度 船舶漂浮在水面上，受到重力和浮力的作用，就整个船体看总重力与总浮力是平衡的。但实际上在船体长度每一段上其重力与浮力是不平衡的。由于这种重力与浮力沿着船长方向分 布不均，使船体产生了纵向弯曲。在船体上每一段重力与浮力的差值就是实际作用在船体上的负荷。船体正是由于负荷的作用而产生了
3、剪力和弯矩。剪力最大值在距首尾约 1/4 船长附近；最大弯矩值则在船中附近。船体在纵向上的变形有两种形式： （ 1）中拱 (Hogging)船体中部上拱的弯曲状态 (受正弯矩作用 )； （ 2）中垂 (Sagging)船体中部下垂的弯曲状态 (受负弯矩作用 )。 在结构设计当中为了保证船舶总纵强度有以下几种经验方法： （ 1）按舱容比例分配各舱载货重量； （ 2）合理分配中途港货物：中途港货物批量大时，应按舱容比例 分配；当批量不大时，不能过于集中，应间舱安排； 1 （ 3）装卸货物中尽量均衡各舱的装卸进度。 （ 4）不同总体布置 对于结构优化设计，约束条件分为两类，一类为形状尺寸的约束，一类
4、为强度的约束。强度的约束又可分为总纵强度约束和局部强度约束。这里主要分析总纵强度约束，局部强度约束在接下来本文中汇提到。总纵强度要求强力甲板的总纵弯曲应力不超过其许用应力 1,d 1,船底的合成应力不超过其许用应力 1+ 2，船体剖面极限弯矩Mj 与最大合成计算弯矩之比不小于规定值，即 Mj/Mmax n，舷侧板的剪切应力不超过其许 用值 。 1 传统的船舶结构分析所采用的结构计算参数是一些确定的数值，往往忽略了实际结构分析中荷载、材料性能、几何尺寸以及结构的变异性等种种不确定因素的影响，而采取安全系数法对结构进行强度储备，带有较强的主观性，经济性也不够理想。 2船体梁的总纵弯曲失效是船舶最严
5、重的破坏事件，由于船舶所遭受的外载荷和船体结构本身存在着大量的不确定性，必须基于结构可靠性原理对其进行分析，从而确定出船体极限承载能力的真实安全余量。 3另外船舶结构极限强度可靠性评估需要考虑外载荷、结构极限强度和可靠性计算方法。以 35000 吨级的散货船结构改进为例，在改进过程中日方大岛厂方面对其提出了很多需要哦改进的地方，这里主要针对总纵强度问题进行分析。大岛厂方的设计师们认为强度对于船舶而言尤其重要，对于原结构设计中没有采用高强度钢很不理解。他们认为如果生产工艺没有问题的话，部分结构使用高强度钢，可大大减少船体的空船重量，建造费用并也不会增加太大。 4不过我们认为，过多使用高强度钢，会
6、给船体刚度带来问题。当然部分合理使用高强度钢，还是十分必要的。 三、局部强度 船体结构抵抗局部变形和破坏的能力叫局部强度。有时局部性的破坏也会导致全 船的破坏，因此实际工作中，一定要注意甲板、平台、舱底、舷侧和舱口盖的局部强度问题。局部强度只要有均匀载荷、集中载荷、车辆甲板载荷以及堆积载荷这四种。为了保证船舶的局部强度则有以下四种经验方法： (1) 考虑到船龄、船体强力构件的锈蚀等，计算允许负荷量时应保留一定的安全量； (2) 配载时，尽量使货物重量均布； (3) 重货尽可能不扎位装载并加以适当的衬垫； (4) 舱盖上不装载重货，如必要应严格按其能承受的负荷装载。 对于甲板板架，满足纵骨稳定性
7、和板稳定性条件，局部强度条件会自动得到满足。对于船底板架，满足纵骨强度和板稳定性条件，纵骨稳定 性和板强度则会自动得到满足。 板强度： i s 板稳定性： cr s 纵骨强度： i s 2 纵骨稳定性： cr s 式中 i、 cr、 i 、 cr 分别为板的弯曲应力、板的临界应力、纵骨的弯曲应力、纵骨的临界应力。、 s 分别为应力系数、材料的屈服极限。 5 仍以 35000 吨级的散货船为例，对局部强度进行举例分析。局部强度不仅对于总体船来说强度有影响，在其他综合方面也有影响，比如船体的振动。日方认为 35000 吨级散货船船型比较特殊，其主要有别于其它同类船型的地方在于其尾 部的折角线型和其
8、比较浅的吃水。大岛船厂同类型船舶的设计都不采用折角线型。虽说这一线型在船舶建造中能为施工带来方便，但在折角处的结构强度会有麻烦，还有可能引起船体振动，使阻力增加。他们建议加强这些部分的结构构件，补加一纵向桁材（沿着折角线）。此外，折角线的纵向走向一定要顺着流线。总之，他们并不认为这种线型有什么好处。 6再考虑到其他外界因素，海水对船体钢板有腐蚀性，会导致船体钢板变薄和性能变差，以及将来海水对船体钢板有进一步的腐蚀作用。 7因此，有必要对船体局部强度进行计算。船体的局部强度计算可以采用有限 元法来进行计算，根据船东及船舶设计单位协商，确定船体局部计算的的重点。 四、疲劳强度 船舶结构疲劳强度是船
9、舶结构在一定的交变应力作用下经一定循环周期不致损坏的能力。船舶在营运过程中由于其装载状态、航行区域等条件是不断变化的，特别是在大风浪中。船舶经常处于中拱、中垂交变应力状态下，这种交变载荷周期性的积累效应造成船舶的疲劳破坏。为了确保船体结构安全可靠，防止船体结构的疲劳和断裂问题，有关国家已把疲劳强度的校核引入船舶设计规范中，对此问题提出了具体的要求并建立了自己的校核方法。近几年国内对船体结构的疲劳强度也做 了大量的研究，但是目前仍没有成熟的校核方法应用在船舶设计中。 8 疲劳损伤的微观过程是个极其复杂的过程。在宏观上一般来说可分为三个阶段：断裂的起始、裂纹的稳定扩展及断裂。疲劳破坏也与总纵强度破
10、坏和局部强度破坏的原因不同而不同。总纵强度破坏是由交变应力幅值的范围引起的，而且破损是一个逐渐积累的过程；局部强度破坏是由极值应力引起的，是一种突变的破坏。因此，目前的疲劳分析方法是建立在宏观的基础上。 9此外疲劳损伤会影响结构的寿命，由于往往结构出现工程可检裂纹时的寿命占结构全寿命（不维修）的很大部分，所以在分析 时可保守地认为结构初始广布疲劳损伤发生时的寿命相当于结构广布疲劳损伤发生时的寿命。 6经各国船舶行业总结，目前疲劳断裂问题基本可以采取断裂力学方法和 S-N 曲线法两种方法。 疲劳破坏一直是船舶与海洋工程领域研究的热点，是船舶与海洋工程结构失效的主要模式之一。针对疲劳损坏这一课题，
11、已有相关研究，比如研究 DNV、 ABS、 CCS 规范的疲劳评估简化算法以及 CSR 油轮统一规范中的简化方法。 有相关论文研究是 从船3 体梁载荷的计算、海水动压力的计算、船舶运动加速度的计算、货物压力的计算、船体梁应力的计算、板架弯曲应力的计算、 纵骨弯曲应力的计算、参考应力的计算、腐蚀余量的规定、平均应力的规定、 S-N 曲线、疲劳评估准则等方面，对 DNV 规范、 CCS 规范、 CSR 规范及 ABS 规范进行了详细的说明，并对四个规范之间的差别进行了较为详细的比较，分析了其中的存在的问题。 10 这类的研究对于船舶行业来说是相当重要的意义的，对于船舶行业的发展奠定了一定的基础。
12、五、总结 各国实船的研究报告充分说明，船舶的总纵强度、局部强度以及疲劳强度是在船舶结构设计中首先要考虑的问题。尤其是疲劳损伤方面，在船舶设计和航行管理中更加不可忽视。长期以来船舶疲劳强 度的不足不仅造成船舶维修的巨大耗资，而且是船舶破损沉没的重要原因之一。对于要探讨的多用途货船而言，在考虑“多用途”的同时，更加要把船舶的强度问题放在首位，影响船舶结构强度的许多因素都具有不确定性，如何准确对船舶结构强度进行预报，确保船舶结构航行安全可靠是必须考虑的重要问题。 参考文献 1 林贵锋 ， 谢新连 ， 肖跃军 国际油船运输市场的走势分析 J.大连海事大学学报 (社会科学版 ). 2005年 01期 3
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