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。目录第1章总则一般规定定义构件尺寸第2章货舱区域结构强度直接计算一般规定结构有限元建模屈服强度评估屈曲强度评估详细应力评估第3章整船结构强度直接计算一般规定结构有限元建模工况及载荷惯性平衡及边界条件应力衡准疲劳强度评估一般要求有限元建模工况与载荷疲劳强度评估方法主要构件应力评估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章总则一般规定本指南适用于船长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.Io图1.1.1矿砂船典型横剖面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。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。定义单位制定义质量: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/m2o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；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一方形系数;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；p 海水密度,p=1.025t/m3;oe VonMises应力（N/mm2,oe=2xyyx2y2x3toooo+-+;ox 单元x方向的应力（N/mm2;oy 单元y方向的应力（N/mm2;txy 单元xy平面的剪应力（N/mm2;al--船体梁纵向的应力（N/mm2;aa 梁单元轴向应力（N/mm2;6V 船体梁横向或垂向的应力（N/mm2;T一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0对钢材,E=2.06x105N/mm2;v——材料泊松比。对钢材,v=0.3。构件尺寸除另有规定外，本指南直接计算中的构件尺寸指的是建造尺寸。第2章货舱区域结构强度直接计算一般规定对于船长在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。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；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结构有限元建模一般要求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点应力评估的三维有限元模型应按照本节要求进行。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。222模型范围

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，脑解各延伸1/2货舱长，即1/2个货舱+1个货舱+1/2个货舱，见图222.1(1。模型端部应延伸至邻近强框架位置，见图2.221(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2.221(1屈服模型范围

图2.221(2舱段有限元模型.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222.2。图222.2舱段有限元全宽模型系规定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。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兀O(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lo224.2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。2.2.43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。224.4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。224.5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。2.2.5细化网格模型按照本章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。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。225.3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。226.2用于热点应力评估的整舱段有限元模型范围应满足2.222要求,热点区域应采用精细网格建模，见图226.2。图2.262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。图2.264精细网格过渡区域示意图226.4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226.4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2.265。船体主要构件腐蚀增量表2.265(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屈服强度评估一般要求231.1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232.1的要求。2.322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(1^^3、多港口4(\»>4、多港口5(MP5、多港口6(MP6可不校核。23.2.3除表2.321规定的典型工况,还应考虑装载手册中其他特殊装载工况。23.2.4对于拟取得ELI00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2.321注：TSC:结构吃水;TNB:正常压载吃水;THB:重压载吃水。压载吃水以该压载工况船中最大吃水为准。MSW,S:中垂许用静水弯矩;MSW,H:中拱许用静水弯矩;MSW,P,S:中垂许用港内静水弯矩;MSW,P,H:中拱许用港内静水弯矩MFull:均匀装载工况下，货舱内货物去虚拟密度(载货量/舱容撮小取1.0t/m3装至舱口围顶部时的载货量,t;MH:最大吃水时，均匀装载下货舱内实际载货量,t。重货密度按装载手册中最大货物密度取值。ELI0()标志，应计算港内3-8工况。如边舱中存在永久性的空舱，在计算中作为空舱处理。2.3.3载荷计算外部载荷(1满载工况舷外水压力由静水压力和波浪水动压力两部分组成在基线处:wbCdP5.110+=kN/m2在水线处:wwCP3=kN/m2在舷侧顶端处:03PPs=kN/m2甲板上的水动压力：04.2PPd=kN/m2式中：(67.OOdDCPw-=300mL90m100300(75.105.1<<—=LCw350mL300m75.10«=500mL350m150350(75.105.1<<-=L(2其他状态在基线处：abdP10=kN/m2在水线处:0.0=wPkN/m2式中:da 对应装载工况下的实际吃水,mo上述给出了基线、水线、舷侧顶端处的水动压力计算公式，舷侧其他部位的舷外水压力按线性插值确定。2.332内部载荷(1矿砂产生的压力按下式计算dbbcihkCaP35.01(100+=pkN/m2式中：cp 货物密度,t/m3;]067.0100300(75.10[35.10LVLLa+-=(90m<L<300m]2,025.32[1LVL+=(300m<L<500ma3a222cos5.045(tansin+-=obka—板与水平面之间的夹角(如,舱壁、舷侧板为90o，内底板为Oo;5——货物的休止角(矿石为35o;hd——计算点至货物顶面的垂直距离,m。货物顶面的横向形状如图2.332,船长方向认为是均匀分布的。货物顶面,沿纵向均布;沿横向，为抛物线方程：1(22yhzs-x=b=B1/2,B1为抛物线顶面与舱壁相交处连线宽度（5=35o抛物线部分的面积为A=5tan322bzhhzhdbsd-++=0式中：hd 货物顶面至计算点的距离,m;zs——货物顶面至连线的距离,m;hdb——双层底高度,m;z 计算点的垂向坐标,从基线量起,m;hO——应根据该舱的载货量、货物密度以及横剖面形状计算,m图2.332货物顶面形状(2液体压力压载舱内液体产生的压力通过下式确定：0(2.5Pghp=+kN/m2式中：p0——舱内液货的密度,不小于1.025t/m3;h——舱顶到计算点的垂直距离,m。233.3端面弯矩端面弯矩施加在模型前后端面的独立点上，按照下式计算:rwsMMMM-+=式中：Ms——静水弯矩，取许用静水弯矩，当采用半宽模型时，取1/2值；Mw——波浪弯矩，按2.333(1计算，当采用半宽模型时，取1/2值；Mr——局部载荷产生的附加弯矩，按233.3(2计算；(1船体梁各横剖面的中拱波浪弯矩(+和中垂波浪弯矩(-应按下列公式计算：WM(+=1902MwBFCLBCx310WM(-=-1102MwFCLB(BC+0.7x310kN-m式中：FM——弯矩分布系数，见图233.3。FFEAE图2.333弯矩分布系数L 规范船长,m;B 船宽,m;CB——方形系数，但计算取值不小于0.60;Cw——系数，按2.331(1计算：(2弯矩Mr是由于局部载荷引起的附加弯矩，按以下方法计算。(a当如图221所示的L1=L2=0.5Lm时记中间舱段模型的线性均布压力为Qm,两端舱段的线性均布压力为Qe,沿Z轴正向为正：mmcagrobmLWbPQ/-x=eecagrobeLWbPQ/-x=式中：Pb——船底外压，见2.3.3.1,kN/m2;Wmcargo——中间货舱的货物重量(含压载水的重量，当采用半宽模型时，取舱内总重量的一半,kN;第13页Wecargo——端部货舱的货物重量(含压载水的重量，当采用半宽模型时，取舱内总重量的一半,kN;Le 与Wecargo对应的端部货舱长度,m;Lm——中间货舱长度,m;

LO段模型的总长度,LO段模型的总长度,m;b——模型的宽度，当采用半宽模型时等于B/2,B为型宽,m;202321323LQLQMemrx+x=kNm(b当如图2.1.1所示的L1HL2/0.5Lm时，可用梁弯曲理论进行计算,压力采用(a中建议的值,Mr取模型中目标舱区域中拱时最大值或中垂时最小值。。234边界条件.4.1如果载荷左右对称,则纵中剖面内节点的横向线位移为0,绕纵中剖面内两个坐标轴的角位移为0,即:3y=0x=0z=0;4.2如果载荷左右反对称，则纵中剖面内节点沿纵中剖面内两个坐标轴方向的线位移为0,绕垂直于纵中剖面的坐标轴的角位移为0,即:3x=8z=0y=O;.4.3端面约束:一端独立点约束8x,8y,5z,0x,0z,另一端独立点约束8y,5z,0x,0z，如表2.3.43;图234.1端面约束边界条件施加表（载荷对称半宽模型表234.3注：①cons. 表示对应的位移约束；②Link——面内相关点位移与独立点连接；③BM 端面所受的总体弯矩。④采用全宽模型，无纵中剖面约束，在表234.3基础上，端面A、B须关联y位移。2.3.5许用应力.5.1对应于标准工况主要构件的应力一般不超过表2.351中给出的值。对于舱壁，槽型端部的应力可以通过舱壁板内的平均应力外推得到。3平均剪应力t系指主要构件的腹板深度范围内的平均剪应力。对于应力集中和形状很差的单元应力可以不采纳。最大许用应力表235.1第14页强度评估一般要求有限元方法评估货舱区主要构件的平板屈曲强度应按照本节要求进行。2.4.1.2屈曲强度评估有限元模型按照本章2.2节要求进行,计算工况与载荷按照2.3节屈服强度要求进行。区主要构件下列区域在进行屈曲强度评估是应引起注意:(1双层底肋板,特别在舱段中间部位(2双层底纵桁和舷侧纵桁，特别是：临近舱壁或凳的舱的两端从舱壁或底凳算起的第一个开孔板在舱中部3顶舱，甲板和舷侧内外板4船底板和内底板，特别是：临近舱壁或凳的舱的两端舱中部(5舱壁和凳板，特别是：在跨中和邻近凳的部位凳的外侧板平板屈曲计算基于表2.4.1.4中给出的标准减缩厚度。在屈曲计算中，所必需的最小屈曲安全系数X如表2.4.2所示。第15页标准减缩厚度，用来计算临界屈曲应力表2.4.1.4平板屈曲所需要的安全因子X表2.4.1.52.4.2计算方法有限元模型应满足2.2节结构建模要求，网格按照基本网格建模。2A.2.2工况定义、载荷计算和边界条件按照2.3节要求进行。应考虑双向轴向压应力和剪应力，一般情况下板内的中面应力用来计算屈曲计算。4屈曲强度，按以下要求进行：(1由有限元计算得到的应力，按表2.4.1.4的标准减薄厚度进行应力修正。◎A=5/(t-tr式中：oA 屈曲计算中的工作应力；o——由有限元计算得到的应力；t——有限元计算中所使用的原始板厚值；tr——表3.4.1中所列的标准减薄厚度。(2临界屈曲应力及弹塑性修正①短边受压板格弹性临界屈曲应力oxcr_e定义如下：第16页第17页22_12(12(1xcrexEtkCs7rav=-N/mm2式中：kx——短边受压屈曲系数，见表2.424(1要求计算；C1——边界约束系数，见表2.424(2,同时还应考虑以下情况：C=1.3,由肋板或高腹板梁扶强的板格;C=1.21,加强筋是角钢或T型材；C=1.10,加强筋是球扁钢；C=1.05,加强筋是扁钢；t 板格厚度,mm;定义为板s——板格的短边长度,mm。取纵骨、加强筋或扶强材间距;x格长边轴向。定义为板板格屈曲系数表2.424(1第18页32321S1S<>板格边界约束系数Cl、C2表2.424(2②长边受压板格弹性临界屈曲应力oycr_e定义如下：22_22(12(1yereyEtkCs兀ov=・N/mm2式中：ky——长边受压屈曲系数，按表2.4.2.4(1计算:C2——边界约束系数，按表2.42.4(2计算;y——定义为板格短边轴向。其余符号同①③受剪切板格弹性临界屈曲应力nr_e定义如下：22_22(12(1ycreyEtkCstttv="N/mm2式中：第19页2434.51skt(+=其余符号同①、②。④应对板格的临界弹性屈曲应力进行修正，弹塑性修正公式如下:((_2(142eHxcrexcreyereyerexcreHeHyereHxcrexcreyereyereRRRRaoo>11当当-<=241(2eereerSSSecrecrcrTTTTTTTTT当当式中：oxcre,oycr_e>icre 分别为板格在单轴应力作用下的X轴、Y轴的弹性临界屈曲压应力和临界屈曲剪应力,见①、②、③;ReH——材料屈服强度，N/mm2;tS 3SGo(3屈曲强度校核①按表2.424(3计算板格在复合应力作用下的临界屈曲应力与计算的实际压应力之比X应不小于表2.4.1.5中的安全因子。②ox、oy、Txy在计算时取绝对值计入。若X轴、Y轴的工作应力为拉应力时,该应力分量取为零。入计算值表24.2.4(3第20页式中：xcrxyery1aooa=k,xcrxcrxy2oott=k,yerycrxy3oott=k注：①ox、oy、Txy分别为板格中板单元所受的X轴、丫轴的工作压应力和剪应力。②oxer、oyer、ter分别为板格在单轴应力作用下的X轴、丫轴的弹塑性修正后的临界屈曲压应力和临界屈曲剪应力。2.5详细应力评估一般要求货舱区主要构件详细应力评估应按照本节要求进行。2.5.2评估部位(1规定的部位应进行细化网格有限元分析(2规定的部位，如果在舱段模型分析中相当应力超出90%许用应力时，则应进行细化网格有限元分析。细化的部位为：(a纵舱壁与内底板相交处;(b纵舱壁折角处;(c纵舱壁与甲板相交处;(d槽型横舱壁与底凳相交处;(e底凳与内底相交处;(f舱口角隅处；(g平面横舱壁水平桁的趾端;(h平面横舱壁垂直扶强材与甲板纵骨、外底纵骨相交处;(i高应力区域开孔处。2.5.3有限元模型2.5.3.1舱段整体模型应按照2.2节要求进行,细化网格模型应满足2.2.5要求。2.53.2采用子模型方法细化时,子模型的最小范围是:子模型的边界对应于相邻主要支撑构件所在的位置。2.5.3.3对于2.5.2(2中e〜h部位，如果细化网格尺寸不足以模拟结构细部，则可采用更小的网格尺寸。2.5.4细化网格强度标准254.1细化网格尺寸为1/4骨材间距时,以粗网格应力衡准的1.2倍为许用应力。2.542当按253.3采用更小的网格尺寸,2.5.4.1应力衡准适用于与之规定尺寸的单个单元相当的区域中所包含的所有单元的平均应力。第3章整船结构强度直接计算一般规定对于船长在350米及以上的矿砂船，应进行整船结构强度直接计算。对于船长在300米及以上的矿砂船，一般应采用整船结构直接计算方法对其货舱区主要结构的强度进行评估。对拟采用直接计算法进行整船主要结构总体强度(不包括扭转强度评估的矿砂船，其计算模型、载荷工况及载荷计算、强度衡准可按本指南的规定。整船结构强度有限元直接计算流程见图3.1.3。图3.1.3整船结构直接计算流程图第21页结构有限元建模有限元模型范围整船三维有限元模型应覆盖整个船长、船宽范围的船体结构,包括所有的船体主要构件,如甲板结构、舷侧结构、双层底结构、横舱壁、内壳纵舱壁、脑胴结构等;机舱内主机、上层建筑、尾轴等可以作适当简化处理;小肘板、小开口或开孔可忽略。典型矿砂船整船有限元模型如图321所示。坐标系整船模型的总体坐标系采用右手直角坐标系，原点设在目标船纵中剖面内尾垂线和基线相交处：x轴:纵向轴，从船腥指向船脑为正；y轴:横向轴，从中心线向左舷为正；z轴:垂向轴，从基线向上为正。图3.2.1.典型矿砂船整船有限元模型323有限元建模选择单元类型应按照224.1的要求。主机、大型设备，可采用集中质量单元建模。轴向受拉压作用的支柱可采用杆单元建模。.2有限元网格划分原则按照2.242的要求。并对货舱区域以外结构，应符合以下要求：外区域，若采用横骨架式的甲板、平台、外板，以相邻两个横骨之间为一个网格,宽度方向不能大于两个横骨间距,并且与相邻构件网格协调；其他主要构件板单元的网格划分,参照货舱区网格划分方法，以骨材、加强筋的实际位置作为网格划分依据，对构件连接区域、型线变化大的区域，可适当进行局部调整。、艇尖舱及机舱，以简化或等效处理方式建模，须满足计算精度要求。并且考虑剪切工况中最大剪力位置出现在脑服区域时,须保证该区域网格与货舱区具有相同的精度。324细化网格模型有限元计算下列区域应力结果超过3.5.1规定的许用应力的95%时,则应予以细化网格分析：(1应力最大的横向主要支撑构件:双层底、边舱、纵舱壁；(2横舱壁及相关底凳:槽条与底凳的连接部分应力最大处、底凳与内底的连接部应力最大处；(3内底与斜纵舱壁的连接部应力最大处:内底、斜纵舱壁、肋板、纵桁；(4应力最大的舱口角隅处的甲板。3.2A.2细化分析模型可采用225.2的两种方法。324.3细化网格划分应满足2.253的要求。3.2.5空船重量、重心调整.5.1调整原则整船模型以舱段进行属性定义，保证整船质量分布应与船舶静水浮态相匹配。总重力与总浮力的误差不超过排水量的0.0001倍。且质心与浮心的纵坐标误差不大于0.0025L,横向坐标误差不大于0.001B。调整方法装、建模引起的差异,可以通过修改材料密度进行调整；型设备，如主机等,可采用虚拟梁单元或集中质量单元等方法进行调整。及载荷计算工况由装载工况和波浪载荷工况组成。一般应计算的装载工况见表3.3.1,如有隔舱装载、多港等工况，也应考虑作为计算工况。选取装载手册中典型装载下中拱、中垂最大静水弯矩和静水剪力最大的工况作为装载工况。述装载工况基础上叠加相应的波浪载荷工况见表3.3.3。采用波浪载荷预报直接计算程序计算波浪载荷(参见附录1,主要控制参数应为垂向波浪弯矩、垂向波浪剪力,概率水平一般取10-8o的确定矿砂船的载荷包括外部水压力、货舱内货物载荷和液舱内部的载荷。各载荷分量计算如下。水压力外部水压力包括外部静水压力和波浪水动压力。(1外部静水压力(SSLCpgTzp=-式中：pS——海水密度，取1.025t/m3;g——重力加速度，取9.81m/s2;TLC——所考虑装载工况下的吃水,m;载荷点的垂向坐标,m，且应不大于TLC,见图334.1。图334.1舷外海水静压力按计算工况的吃水，作用在船体外部湿表面。（2波浪水动压力用波浪载荷直接计算方法求得湿表面单元上的波动压力，施加于船体外壳单元上（参见附录1o3.34.2货舱内矿砂载荷货舱内矿砂载荷包括由矿砂引起的静压力、惯性压力和剪切载荷。（1矿砂引起的静压力货舱内矿砂的静压力由下式计算（CSCCCDBpgKhhzp=+-（2矿砂引起的惯性力货舱内矿砂由于船体运动产生的惯性力,由下式计算:(((0.250.25CWCXGYGCZCDBpaxxayyKahhzp=-+-++J1LJ(3矿砂引起的剪切载荷静水中矿砂由于重力引起的剪切载荷PCS-S(向下至内底板为正值，kN/m2,由下式得出：(sincossinCSSCCDBPghhzpv|/aa-=+-波浪中矿砂由于垂向加速度引起的剪切载荷PCW・S・V(向下至内底板为正值，kN/m2,由下式得出：(sincossinCWSVCZCDBPahhzpyaa-=+-波浪中矿砂由于纵向加速度引起的剪切载荷PCW-S-L(向前为正值，kN/m2,由下式得出：((0.75cos0.75CXCDBCWSLCXCDBahhzPahhzpap—+-(I+-ll货舱内纵向构件货舱内横向构件波浪中矿砂由于横向加速度引起的剪切载荷PCW-S-T(上风舷为正值,kN/m2,由下式得出：((YY0.750.75cosCCDBCWSTCCDBahhzPahhzppa-+-fl={+-1I货舱内纵向构件货舱内横向构件式中：pc 矿砂密度,t/m3;g 重力加速度，取9.81m/s2;(a\|/a22sinsinIcos-+=CKa——板与水平面之间的夹角，度;v——矿砂的休止角，取为35°;aX、aY和aZ——分别是所考虑货舱的纵向加速度、横向加速度和垂向加速度,m/s2,由载荷预报直接计算得到,具体参见附录1;xG、yG 所考虑货舱形心在全局坐标系中的X,Y坐标,m;x,y,z 计算点在总坐标系下的船长、船宽和垂向坐标,m;hDB——双层底高度,m;hC——所考虑装载工况下矿砂上表面距离内底板的高度,m;分别按以下装载形式计算:(a矿砂密度使货舱未装载至上甲板时，矿砂货物顶面的横向形状如图334.2(1,船长方向认为均匀分布、沿横向为抛物线方程：OCshzh=+hO——货物连线至内底的距离,根据该舱的载货量、货物密度以及横剖面形状计算,m;zs——货物顶面至连线的距离,m;22(1syzhb=x-b=B1/2,B1为抛物线顶面与舱壁相交处连线宽度;顶面至连线的最大距离为：h=tan2bV抛物线部分的面积为:

A=22tan3b\\f图334.2(1货物顶面形状(b矿砂密度足以使货舱装载到舱口围板顶部时，矿砂上表面应以舱壁为界限的货舱内，按相同货物体积所确定的等效水平表面，矿砂货物顶面的横向等效形状如图334.2(2。12Chhh=+式中：顶凳斜板下沿至内底的距离,m;h2顶凳斜板下沿至货物等效水平面的高度,m，根据该舱的顶凳、甲板、h2舱口围形状计算:CHCLBVh22=VHC——顶凳斜板下沿以上至舱口围上沿的货舱体积,m3;B2——顶凳斜板下沿至货物等效水平面的平均宽度,m，可近似取顶凳斜板中点处货舱宽度；CL——货舱长度,m;图334.2(2货物顶面等效形状3.3.4.3液舱内的液体载荷液舱内液体载荷包括液体如压载舱内压载水和油舱内燃油等液体引起的静水压力和惯性压力。(1液体引起的静水压力：(BSLtopairpgzhzp=+-(2液体引起的惯性压力液体由于运动引起的对船体的惯性压力由下式进行计算：((([]zhzayyaxxapairTOPzyxLBW-++-+-=00p式中：Lp 液体密度,t/m3;TOPz——正浮工况下液舱顶点的Z坐标,m;airh——空气管或溢流管高度,m;ax、ay和az——分别是所考虑液舱的纵向加速度、横向加速度和垂向加速度,m/s2,由载荷预报直接计算得到,具体参见附录1;x,y,z 计算点在总坐标系下的坐标,m;x0,y0,z0 参考点坐标,m,见图334.3(1-图3.3.43(3;注:对于非平行液舱，参考点取加速度方向上液舱顶点位置。图334.3(1垂向加速度产生的液舱内部压力图334.3(2横向加速度产生的液舱内部压力注:压载舱设计为径流法作为压载水交换的方法，则参考点z0应取在舱室空气管/溢流管的顶点位置处。图334.3(3纵向加速度产生的液舱内部压力惯性平衡及边界条件空船惯性力指仅由船体结构质量（不包括货物、压载水等质量组成的质量模型与节点运动加速度相乘求得的惯性力。各节点上惯性力的施加及整船有限元模型的外力动态平衡可以通过加载及动平衡调整来实现。整船动平衡调整的一般处理流程如图3.4.2所示。其中，在完成外部水压力、空船惯性力和货物载荷加载工作后,船体梁模型应处于动平衡状态,此时的外部水动压力应与空船惯性力和货物载荷相平衡。对每一种载荷工况，应计算和检查模型在x、y和z轴三个方向上的不平衡力的大小。在迎浪工况下，各个方向上的不平衡力应不超过排水量的1%;对于横浪和斜浪工况,不平衡力的大小应不超过排水量的2%。在进行结构有限元分析以前,不平衡力将通过惯性释放方法予以消除。图3.4.2整船动平衡调整的一般处理流程惯性释放约束条件整船动态平衡调整后,计算模型已处于自由动态平衡状态,为消除刚体位移,须对模型施加边界约束。采用惯性释放功能进行结构强度分析时,需要对一个节点进行6个自由度的约束（虚支座。针对该支座，程序首先计算在外力作用下每个节点在每个方向上的加速度，然后将加速度转化为惯性力反向施加到每个节点上,由此构造一个平衡的力系（支座反力等于零。求解得到的位移描述所有节点相对于该支座的相对运动。在MSC.Nastran和ANASYS软件中，可通过设定参考点进行边界约束。选择模型中一个节点作为惯性释放参考点，如图3.4.3所示。图3.4.3参考点位置示意图一般在船底平板龙骨（纵中剖面处在船艄（节点1末端处选取为“参考点”，或在船底平板龙骨（纵中剖面处在船中（节点2处选取为“参考点”。应力衡准整船有限元应力衡准板材（包括桁材腹板的许用应力为：[]Ke72359.Ox=oN/mm2梁单元的许用应力为：[]Ka/2359.0x=oN/mm22局部有限元细化的应力衡准3.5.2.1细化网格尺寸为1/4骨材间距时,细化网格模型的应力衡准应取为整船有限元许用应力的1.2倍。352.2细化网格尺寸为1/8骨材间距时,细化网格模型的应力衡准应取为整船有限元许用应力的1.4倍。第4章疲劳强度评估一般要求本章要求适用于船长150m及以上，设计寿命为25年的矿砂船进行疲劳强度评估。货舱区域纵向构件应按照CCS《船体结构疲劳强度指南》的要求进行名义应力法的疲劳强度评估。货舱区主要构件热点应力疲劳强度评估按照本章要求进行。评估部位为纵舱壁与内底连接处。舱口角隅疲劳强度评估按照本章4.6节要求进行。有限元建模整体舱段有限元模型应满足2.2节要求，模型范围应满足222.2要求。热点区域精细网格应满足226要求。采用子模型方法时子模型的最小范围应满足2.533要求。424边界条件4.2.4.1模型两端应按表424.1(1和表424.1(2要求简支。端部两剖面的纵向构件节点应与位于中心线上中和轴处的独立点刚性关联,见表4.2.4.1(lo两端独立点应按表424.1(2约束。两端的刚性关联表424.1(1独立点的支撑条件表4.2.4.1(24.3工况与载荷装载工况疲劳强度评估的装载工况取满载、轻压载和重压载三种装载状态。对于每种装载工况，应于考虑的载荷工况为：(a与EDW“H”对应的“H1”和“H2”(迎浪(b与EDW“F”对应的“F1”和“F2”(随浪(c与EDW“R"对应的"R1”和"R2”(横浪(d与EDW“P”对应的“Pl”和“P2”(横浪计算工况根据装载工况与载荷工况结合，见表4.3.1.3。第33页疲劳强度评估的计算工况表4.3.1.3注:aT:型吃水;TNB:正常压载工况下吃水;THB:重压载工况下吃水。备注:1计算干货压力时,货物密度应取MH/VH。2仅当中间舱不被指定为压载舱时，该工况才要求。3仅当中间舱被指定为压载舱时，该工况才要求。4空舱位置应根据实际装载情况确定。第34页第35页载荷计算船舶运动加速度系数，按下式计算(02346001.580.47pBafCLL)=-\)式中：方形系数。fp——与概率水平对应的系数，疲劳强度评估取0.5。CB方形系数。横摇周期TR,s，和横摇单幅值，deg，由下式得出：GMkTrR3.2=((兀075025.025.19000+-=BkfTbpR式中：kb 系数，取：kb=1.2,无觥龙骨的船舶;kb=1.0,有毗龙骨的船舶;横摇回转半径,m，没有确切数值时,按下式计算:kr=0.35B轻货均匀满载kr=0.42B重货均匀满载kr=0.45B正常压载kr=0.40B重压载GM——所考虑装载工况的稳性高度,m没有确切数值时,按下式计算:GM=0.12B轻货均匀满载GM=0.25B重货均匀满载GM=0.33B正常压载GM=0.25B重压载纵摇周期TP,s，和横摇单幅值①,deg，由下式得出：gTP7tX2=4960BPCVLf=(D式中06(1LCSTLTX=+荡引起的加速度,m/s2,由下式得出：第36页gaaheave0=横荡引起的加速度,m/s2,由下式得出：gaasway03.0=纵荡引起的加速度,m/s2,由下式得出：gaasurge02.0=意一点的纵向、横向和垂向加速度参考值由下式得出：•纵向xpitchXPsurgeXSXGXaCaCgCa++=<Dsin•横向yrollYRswayYSYGYaCaCgCa++=0sin•垂向zpitchZPzrollZRheaveZHZaCaCaCa++=式中:CXG,CXS,CXP,CYG,CYS,CYR,CZH,CZR和CZP为载荷组合因子，见表4.3.2.7o载荷组合因子表4.327apitchx 纵摇引起的纵向加速度，m/s2第37页RTaPxpitch22180IIJ1arolly 横摇引起的纵向加速度,m/s2RTaRyroll22180lIJ1arollz 横摇引起的垂向加速度,m/s2yTaRzroll22180IIJ1=nnBapitchz 纵摇引起的垂向加速度m/s2(LxTaPzpitch45.021802-IUKm①其中(0.45xL-应取不小于0.2L;min(,422LCTDDRz=-+43.2.8静水弯矩应不小于下式计算得到的值,kN-m;如由设计者规定，可考虑更大的值。•中拱工况：175(0.71OSWHWBWVHMCLBCM-=+-•中垂工况：23,,175(0.71OSWSWBWVSMCLBCM-=+-式中:HWVM,和SWVM,是垂向波浪弯矩,kN-m,定义见432.9。43.2.9垂向波浪弯矩,kN-m,按下式公式得到：•中拱工况:23,19010WVHMPWBMFfCLBC-=•中垂工况：23,110(0.710WVSMPWBMFfCLBC-=+式中：第38页FM——分布因子(见图2.333。432.10垂向波浪剪力,kN，按下式公式得到：230(0.710WVQPWBQFfCLBC-=+式中：FQ——表4.3.2.10所定义的正剪力和负剪力分布因子(见图432.10。分布因子QF表4.3.2.10图4.3210分布因子FQ4.3.2.11水平波浪弯矩,kN-m,按下式公式得到：第39页2(0.32(XX)WHMPWLCBLMFfCLTC=+4.3.2.12波浪扭矩,kN-m,按下式公式得到：(21WTWTPWTMMfM+=式中：2110.4WTWBTMCBDCF=2220.22WTWBTMCLBCF=FT1,FT2——分布因子，定义如下：2sin(lLxFTn=(sin22LxFT?r=4.3.2.13外板上任何一点的总压力p,kN/m2,应由下式得出，且不应为负值:WSppp+=式中：pS——静水压力,定义见(1；pw——视具体情况而定，与(2,(3或(4所定义的水动压力相等的波浪压力,并按(5修正。(1静水压力,对各装载工况,外板上任何一点对应于静水中吃水的静水压力Sp,kN/m2,由表4.3.2.13(1中公式得出(见图4.3.2.13(1。静水压力pS表432.13(1第40页图4.3.2.13(1静水压力pS(2对于载荷工况Hl、H2、Fl和F2,水线以下外板上任何一点的水动压力Hp和Fp,kN/m2,应按表4.3.2.13(2得出。压力pF2分布示意图见图4.3.2.13(2。载荷工况Hl、H2、F1和F2的水动压力表4.3.2.13(2式中：12(1253++-+=iLCinlpHFByTzLLCffpX;<0.12<iBy,z应取不大于LCiTnlf:考虑非线性影响的系数，取：nlf=0.9,对10-8概率水平nlf=1.0,对10-4概率水平k——沿船舶纵向的幅值系数，取：3021(121-+=LxByCkB,对5.0/0.0<<Lx35.043(61F=LxByCkB,对0.1/5.0<<Lxkp——沿船舶纵向的相位系数，取:第41页25.0LCSLCpTTLLxTTk兀，对局部强度分析(非满载工况，直接强度分析和疲劳强度评估Pk=-1.0,对局部强度计算(满载工况1 波长,m，取：LTTSLC1(6.0+=入,对载荷工况H1和H2LTTSLC321(6.0+=入，对载荷工况F1和F2图4.3.2.13(2船中处水动压力pF2的分布(3对于载荷工况R1和R2,水线以下外板上任何一点的水动压力Rp,kN/m2，应由下列公式得出。压力1Rp的分布示意图见图4.3.2.13(3。12(12588.Osin10(l+-++=ByLLCfyfppnlRXO12RRpp-=式中:fnl考虑非线性影响的系数，取:nlf=0.8,对10-8概率水平nlf=1.0,对10-4概率水平22RTgnk=y——载荷点丫坐标,m,左舷取为正值第42页图4.3.2.13(3船中处水动压力pR1的分布(4对于载荷工况P1和P2,水线以下外板上任何一点的水动压力pp,kN/m2，应由表4.3213(3得出。压力Ipp的分布示意图见图4.3.2.13(4。载荷工况P1和P2的水动压力表4.3.2.13(3式中：232(1255.4ByTzLLCffpLCinlpp+-+=Xnlf——考虑非线性影响的系数，取：nlf=0.65,对10-8概率水平nlf=1.0,对10-4概率水平LTTSLC4.02.0(+=1y 载荷点Y坐标,m，定义见[1.4.1];第43页图4.3.2.13(4船中处水动压力Ipp的分布(5对于水线处的正水动压力(载荷工况Hl、H2、Fl、RI、R2和P1,舷侧处水线以上的水动压力CWp,,kN/m2,由下式得出(见图4.3.2.13(5:•(,,zTgppLCiWLWCW-+=p,对LCiWLCiThzTW•0,=CWp,对LCiWThz+2式中：WLWp,——所考虑载荷工况下在水线处的正水动压力gphWLWWp,=对于水线处的负水动压力(载荷工况Hl、H2、F2、RI、R2和P