矿砂船船体结构强度直接计算指南2016

矿砂船船体结构强度直接计算指南

(2016)

中国船级社

2016.3

编写说明

为适应工业界对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。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，于2014年颁布了《矿砂船船

体结构强度直接计算指南（2014）》。

随着矿砂船船型越来越大型化，对强度评估提出了更加全面、更加先进的要

求，因此在2014版指南的基础上，对舱段直接计算的评估范围扩展到整个货舱

区和机舱区域、载荷与工况、模型边界与载荷调整、屈曲评估方法、疲劳强度分

析方法、矿砂含水对结构强度的影响和整船有限元等要求，结合CSR规范和GBS

研究成果进行了适用性研究和实船验证，根据研究结果升级形成2016版指南。

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）规定了波浪载荷和计算工况；

3）舱段直接计算的建模要求、分析范围、船体梁调整和许用衡准；

4）细化网格详细应力评估的部位、建模要求和许用衡准；

5）屈曲强度评估板格定义、属性定义、屈曲能力和强度衡准

6）整船直接计算的建模要求、工况定义、载荷计算及应力衡准；

7）机舱舱段直接计算的建模、载荷、船体梁调整和许用衡准；

8）含水矿砂要求的舱段直接计算补充要求。

9）矿砂船船体结构疲劳强度评估补充要求。

目录

第1章总则..................................................................1

1.1一般规定.............................................................1

1.2定义.................................................................2

1.3构件尺寸.............................................................5

第2章载荷工况.............................................................6

2.1一般要求.............................................................6

2.2动教荷工况...........................................................6

2.3船舶运动和加速度....................................................14

2.4船体梁载荷..........................................................18

2.5外部载荷............................................................24

2.6内部载荷............................................................39

2.7装载工况............................................................47

第3章货舱区域直接强度分析.................................................56

3.1一般要求............................................................56

3.2结构建模............................................................57

3.3有限元载荷组合......................................................63

3.4分析衡准............................................................81

3.5局部结构强度分析....................................................85

第4章屈曲强度评估.........................................................87

4.1一般要求............................................................87

4.2板格类型............................................................90

4.3屈曲能力...........................................................100

4.4强度衡准...........................................................121

附录A基于应力的参考应力................................................124

A.1.1一般规定..........................................................124

A.1.2基于应力的方法...................................................124

A.1.3参考应力..........................................................125

附录B板格的屈曲因子和折减因子...........................................128

B.1.1符号说明..........................................................128

B.1.2平面板格.........................................................128

B.1.3曲面板格.........................................................128

第5章整船有限元强度评估.................................................141

5.1一般规定............................................................141

5.2模型要求............................................................142

5.3水动力载荷计算......................................................143

5.4整船载荷施加与惯性平衡..............................................148

5.5强度评估衡准........................................................150

附录1...........................................................................................................................................151

机舱结构强度直接计算........................................................151

1.1一般要求...........................................................151

1.2结构建模...........................................................151

1.3载荷...............................................................152

附录2.............................................................................................................................................156

装载含水矿砂时舱段有限元计算要求...........................................156

2.1一般规定.........................................................156

2.2液化矿砂的载荷与计算工况.........................................156

2.3有限元模型.......................................................157

2.4评估区域与衡准...................................................158

2.5屈曲强度评估.....................................................158

附录3.............................................................................................................................................159

矿砂船船体结构疲劳强度评估要求.............................................159

3.1一般规定..........................................................159

3.2工况与载荷........................................................159

3.3简化应力分析......................................................160

3.4有限元热点应力分析................................................160

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1.11。

1.1.2本指南给出了矿砂船货舱区域和机舱区域主要构件的强度评估要求，舱段屈服强

度、细化强度、屈曲强度、整船的强度评估方法和含水矿砂的舱段补充要求。

1.1.3货舱区域船体主要结构疲劳强度评估本指南附录3的相关要求。船长250m及以

上的矿砂船，按CCS《波激振动和砰击颤振对船体结构疲劳强度影响计算指南》要求应特

殊考虑波激振动对船体结构疲劳强度的影响。

1.1.4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。

1.1.5应将直接计算技术文件提交CCS,供相关图纸审核时参考。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；

1

(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。

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——规范船长，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——型宽，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；

T—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一船舶按其设计在营运中以最深航行吃水、螺旋桨最大转速(RPM)和发动机的响

应最大持续功率(MCR)所保持的最大航速，，kn；

g---重力加速度，g=9.81m/s-；

心＞一波浪系数,按下式计算：

1.5

300

L

Cw.75,对于90L300的船舶

10

100

C,对于300L350的船舶

10.75

2

1.5

-35Q

c„.10.75,对于350L500的船舶

L

15《

——海水密度，=1.025t/m3；

e----VonMises应力（N/mmQ

），0=2

）,史=*

ooo3T

222

yxyxy

d----单元x方向的应力（N/mm

2）;

（7y----单元y方向的应力（N/mm

2）;

为一单元xy平面的剪应力

2）;

at----船体梁纵向的应力（N/mm

2）；

aa----梁单元轴向应力（N/mm

2）；

叫,---船体梁横向或垂向的应力（N/mm—

2）；

工一腹板总深度的平均剪应力（N/mn?）；

K—材料系数，见《钢规》第2篇第1章第3节；

E——材料弹性模量。对钢材，£-2.06xl05N/mm2；

v——材料泊松比。对钢材，v=0.3；

TLC：所考虑载荷工况的船中处的吃水，m。

fr.某一装载条件下吃水与结构吃水的比，取为：

T

f，但不小于0.5。

LC

TT

SC

fp:设计载荷设定所对应的强度评估系数，取为：

fP=1.0,对于航行工况设计载荷设定

fP=0.4,对于在港/遮蔽水域设计载荷设定

R：船舶摇摆运动中心的垂向坐标，m,取为：

DD

2

Rmin

LC

42

1.2.3船舶的几何尺寸、运动、加速度和载荷系根据下列右向坐标系统，见图1.221。

(1)原点：船舶对称纵剖面、规范船长L尾端和基线的相交处；

(2)X轴：纵向轴，向前为正；

(3)丫轴：横向轴，向左为正；

3

(4)Z轴：垂向轴，向上为正。

图1.2.2.1参照坐标系

1.2.4船舶运动规定如下，见图122.2。

(1)纵荡(surge)为沿x轴正向的平动，向前为正；

(2)横荡(sway)为沿y轴正向的平动，向左舷为正；

(3)垂荡(heave)为沿z轴正向的平动，向上为正；

(4)横摇(roll)是对通过重心的纵轴的正向旋转，右舷向下，左舷向上为正；

(5)纵摇(pitch)是对通过重心的横轴的正向旋转，脑向下，解向上为正；

(6)艄摇(yaw)是对通过重心的垂向轴的正向旋转，艄向左舷，艇向右舷为正。

垂荡

4

(1)垂向弯矩Msw和Mwv在强力甲板产生拉应力(中拱弯矩)时为正，在底部

产生拉应力(中垂弯矩)时为负。

(2)垂向剪力Qsw和Qwv在所考虑的横剖面之后作用的合力向下或在所考虑的横

剖面之前作用的合力向上时为正。

(3)水平弯矩Mwh在右舷产生拉伸应力时为正，在左舷产生拉伸应力时为负。

(4)扭矩Mwt在所考虑的横剖面之后合力矩沿绕x轴的负方向或在横剖面之前合

力矩沿x轴的正方向时为正。

图1.2.2.3船体梁载荷符号约定

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指的是建造厚度，不考虑船东附加厚度。

5

第2章载荷工况

2.1一般要求

2.1.1本章给出了用于矿砂船直接强度评估的设计载荷与装载工况。

2.1.2强度评估指的是对载荷对应于IO'概率水平的强度衡准。

2.1.3强度评估的每一个设计载荷设定由一个静载荷工况(S)或者一个静+动载荷工况

(S+D)组成，这里静载荷和动载荷基于所考虑的载荷工况。

2.1.4载荷工况各载荷参数计算按以下要求进行：

(1)动载荷工况定义在本章2.2；

(2)船体运动与加速度在本章2.3；

(3)船体梁载荷在本章2.4；

(4)外部载荷在本章2.5；

(5)内部载荷在本章2.6；

(6)装载工况在本章2.7。

2.2动载荷工况

2.2.1以下等效设计波用于生成结构强度评估的动载荷工况。

2.2.1.1HSM载荷工况：

HSM-1和HSM-2：分别为垂向波浪弯矩在船中处最小和最大的迎浪等效设计波。

2.2.1.2HSA载荷工况：

HSA-1和HSA-2：分别为垂向加速度在脑部最大和最小的迎浪等效设计波。

2.2.1.3FSM载荷工况：

FSM-1和FSM-2：分别为垂向波浪弯矩在船中处最小和最大的随浪等效设计波。

2.2.1.4BSR载荷工况：

BSR-1P和BSR-2P：分别为波浪从左舷过来时横摇运动最小(此时左舷向下)和横摇

运动最大(此时左舷向上)的横浪等效设计波。

BSR-IS和BSR-2S：分别为波浪从右舷过来时横摇运动最大(此时右舷向下)和横摇

运动最小(此时右舷向上)的横浪等效设计波。

6

2.2.1.5BSP载荷工况：

BSP-IP和BSP-2P：分别为左舷船中水线处水动压力最大和最小的横浪等效设计波。

BSP-1S和BSP-2S：分别为右舷船中水线处水动压力最大和最小的横浪等效设计波。

2.2.1.6OST载荷工况：

0ST-1P和0ST-2P：分别为波浪从左舷过来时距船尾0.25L处扭矩最小和最大时的斜浪

等效设计波。

0ST-1S和0ST-2S：分别为波浪从右舷过来时距船尾0.25L处扭矩最大和最小时的斜浪

等效设计波。

2.2.1.7OSA载荷工况：

0SA-1P和OSA-2P：分别为波浪从左舷过来时纵摇加速度最小和最大时的斜浪等效设

计波。

0SA-1S和0SA-2S：分别为波浪从右舷过来时纵摇加速度最大和最小时的斜浪等效设

计波。

注1：1和2对应每一个等效设计波最大或最小的主导载荷分量。

注2：P和S分别对应于上风舷为左舷和右舷。

2.2.2每一个动载荷工况的船舶响应和总体载荷见表2.2.2.1~2.2.2.3。

强度评估中用于HSM、HSA和FSM载荷工况的船舶响应表222.1

载荷工况HSM-1HSM-2HSA-1HSA-2FSM-1FSM-2

等效设计波HSMHSAFSM

浪向迎浪迎浪随浪

作用垂向弯矩最大垂向加速度最大垂向弯矩最大

垂向波浪弯矩中垂中拱中垂中拱中垂中拱

负-后部正-后部负-后部正-后部负-后部正•后部

垂向波浪剪力

正-前部负-前部正-前部负-前部正-前部负-前部

水平波浪弯矩------

波浪扭矩------

纵荡向解向艄向服向躺向艄向舵

纵荡加速度

1111

横荡------

横荡加速度------

垂荡向下向上向下向上--

7

□□□

垂荡加速度--

横摇------

横摇加速度------

纵摇艄向下艄向上艄向下艄向上艄向上艄向下

纵摇加速度

8

强度评估中用于BSR和BSP载荷工况的船舶响应表2.2.2.1

载荷工况BSR-IPBSR-2PBSR-ISBSR-2SBSP-IPBSP-2PBSP-1SBSP-2S

等效设计波BSRBSRBSPBSP

浪向横浪横浪

作用横摇最大水线处压力最大

垂向波浪弯矩中垂中拱中垂中拱中垂中拱中垂中拱

负-后部正-后部负-后部正-后部负-后部正-后部负-后部正-后部

正-前部负-前部正-前部负-前部正-前部负-前部正-前部负-前部

水平波浪弯矩右舷受拉左舷受拉左舷受拉右舷受拉右舷受拉左舷受拉左舷受拉右舷受拉

波浪扭矩--------

纵荡--------

纵荡加速度--------

横荡向右舷向左舷向左舷向右舷向右舷向左舷向左舷向右舷

横荡加速度际-1.sV\\S—►L.SL.STW.SL.S<-W.SU\S-►L.SG喷<—i..sL.S<—W.SL.SfW.S

垂荡向下向上向下向上向下向上向下向上

o'tL.S

垂荡加速度VCSTL.sW^S1L.SL.STW.SL.S*U.SVVSJL.fL.STW.SL.S।\\\s

横摇左舷向下左舷向上右舷向下右舷向上左舷向下左舷向上右舷向下右舷向上

横摇加速度；^r^L.s

纵摇---艄向下艄向上艄向下艄向上

^7

纵摇加速度----

9

强度评估中用于OST和OSA载荷工况的船舶响应表2.2.23

载荷工况OST-1POST-2POST-1SOST-2SOSA-1POSA-2POSA-1SOSA-2S

等效设计波OSTOSA

浪向斜浪斜浪

作用扭矩最大纵摇加速度最大

垂向波浪弯矩中垂中拱中垂中拱中拱中垂中拱中垂

如后部止-后部如后部止-后部止-后部负-后部止-后部负-后部

垂向波浪剪力

正-前部负-前部正-前部负-前部负-前部正-前部负-前部正-前部

水平波浪弯矩左舷受拉右舷受拉右舷受拉左舷受拉右舷受拉左舷受拉左舷受拉右舷受拉

波浪扭矩hhhhh

纵荡向脂向服向脑向舵向脑向服向脑向服

纵荡加速度

CTTd------7CT-1------7f/L1/S._ft

横荡--而左舷向若舷而看舷向五舷

----

横荡加速度

fLSLSLS+LSf

垂荡向下向上向下向上向上向下向上向下

垂荡加速度,L3^3，LSLS，wX港，LSLS，忘

US，W3LS•

横摇左舷向卜左舷向上右舷向卜右舷向上左舷问卜左舷向上右舷问卜右舷向上

横摇加速度W^S^^JLS

纵摇艄向上艄向卜艄向上「首1可卜艄向上艄向卜艄向上脑向卜

纵摇加速度

10

2.2.3等效设计波的载荷组合系数LCF,即总体载荷及惯性载荷分量的载荷组合系数定

义见表2.2.3.1~表223.3。

强度评估中用于HSM、HSA和FSM载荷工况的载荷组合系数表2.2.3.1

载荷组合LCFHSM-1HSM-2HSA-1HSA-2FSM-1FSM-2

^wvCwv-11-0.70.7-0.M-0.6O.4/7+O.6

QW0.6f|

船体梁QwvC-L%LQ4-0.6fipP一.%i.o"

载荷

M\VHCwH000000

CWT000000

^surgeCxs0.3-0.羽0.圻0.30.2-0.20.2-0.4fr0.4/r0.2

纵向加

^pitch-xCXP-0.70.7-0.4/r-0.4O.4/7-+0.40.15-0.15

速度

gsincpCXG0.6-0.60.4/i+0.4-0.4A-0.4-0.20.2

^swayCys000000

横向加

CYR000000

速度

gsinGCYG000000

CzH

aheave0.5/i-0.150.15-0.切0.4/r0.10.I-0.4/i00

垂向加

uroll-zLZR000uUu

速度

ClpiickCZP-0.70.7-O.4/7-O.40.4/7+0.40.15-0.15

强度评估中用于BSR和BSP载荷工况的载荷组合系数表2.232

载荷组合L£FBSR-IPBSR-2PBSR-1SBSR-2s

八八r/八八”八r/八

C1nJn11-1

JWVI*.1U.z^y,U.1U.1V.1

f(0.2f-0A)f(01-0f(o.y-o.])f

船体梁{nTllt一”lpTlp

载荷

C\VH1.2-1.1/r1gl.2121.1万

MvrC\VT0000

asurgeCxsUUuu

纵向加

cn

^pitch-xLXPnnn

速度

gsinipCXG0000

n1,B

怏1“川~YSu.z^u.z/TU.Z/7U.2

II

速度a

c1i

JYR

1111

g5inO=YG

n.7.n旺丁n4/L.n707.nAfn4/^n7

“,肥uv?。T

垂向加

Clroll--CzR1-11-1

速度

---------------CzB--------0000

载荷组合LCFBSP-IPBSP-2PBSP-ISBSP-2S

MHVCwv0.3-0.8/r0.8济0.30.3-0.8/r0.8/T-0.3

船体梁QxwCQW(0.3-0.8/r)^(0.盼0.3)为(0.3-0.8/T)4，(0.8/r0.3)4

载荷

A4一.-_-

5MHU./U.iji'U./JyU./U.///U./v./~v.//y

oooQ

iYiW1LW1

nCv^nnn0

纵向加

pitch-rCXP0.1-0.3分0.3/T-0.10.3/r-0.10.1-0.3分

速度

gsin(pCvn0.3方-0.10.1-0.3/To.3/y-o.i0.1-0.3分

acu.'z>v*CYC-0.90.90.9-0.9

横向加

^roll-yCYR0.3-0.3-0.30.3

速度

gsinOCYG-0.20.20.2-0.2

aheaveCzH1-11-1

垂向加

^roll-zCzR0.3-0.3-0.30.3

速度

^pitch-zCZP0.1-0.3/?0.3/r0.10.1-0.3/^0.圻0.1

强度评估中用于OST和OSA载荷工况的载荷组合系数表2.2.33

载荷组合LCFOST-IP0ST-2POST-ISOST-2S

MwvCwv-0.3-0.纺0.3+0.步-03-0.2fT0.3+0.第

船体梁QwvCQW(-0.35-0训，(0.35+0.纺施(-0.35-0.p(0.35+0.纺防

载荷

MWHC\VH-0.90.90.9-0.9

M\VTCWT-fln-OSTfiD-OSTflp-OST-flD-OST

纵向加asurgeCxs0go.150.15-0.防0.历-0