摘 要

近年新建的大型油船结构复杂且钢材消耗量较大，基于此现状对油船进行结构设计及优化，从而减少钢材使用量并提高设计水平，具有较大的研究价值。本文以有限元为基础，对27 000 DWT油船舱段结构进行建模分析，通过强度直接计算检验得到其强度满足要求且尚有一定裕度。本文还对安全的条件下通过减少厚度的方式来减少钢材用量以达到优化目的进行了展望。

本文主要阐述为满足CCS（China Classification Society）《钢质海船入级规范》（2015）中对油船结构强度的要求，以27 000 DWT油船为例，进行了本船的有限元分析。其中计算的内容包括规范计算及强度直接计算。强度直接计算的主要内容包括载荷工况的确定；舷外水压力的计算；静水弯矩及波浪弯矩的计算等。本文还以MSC.PATRANamp;NASTRAN为平台，利用PATRAN及其二次开发插件CCS_TOOLS分别对本船3，4，5货舱舱段结构进行屈服强度以及屈曲强度的校核，为油船结构设计的优化提供理论依据。

本文工作的重点是，计算和分析各个构件的应力和变形，确定在最不利工况和载荷组合下的舱段结构超出许用应力值的区域，从而对船体构件进行修改和加强，确保船舶运营过程中有足够的安全性。

关键词：双壳油船；规范设计；有限元法；屈服强度； 屈曲强度

Abstract

In recent years，newly-constructed oil tanker has complex structure and large steel consumption. Based on this status quo,in order to decrease steel consumption and improve the design capabilities,it exists great value to redesign and optimize the structure of oil tanker.Under the theory of finite element,this paper analyzes cabins model of 27 000 DWT oil tanker.Through the test of direct strength calculation,the strength meets the requirements with a certain margin.Further more, in order to achieve optimization purposes, the article makes some expectations by the way of reducing the thickness to reduce the amount of steel which under safe conditions.

To meet the demands of strength of oil tanker directed by CCS(China Classification Society)《Rules For Classification of Sea-Going Steel Ships》, this article mainly focuses on the finite element analysis of the oil tanker.The calculation divided into standard design and strength calculation.The mian content of strength calculation includes the confirmation of load cases;the calculation of external dynamic sea pressure;the calculation of still water bending moment and wave bending moment,etc.Under the platform of MSC.PATRANamp;NASTRAN, the article calibrates the yield strength and buckling strength of NO3,4,5 cabins of standard double hull tanker with PATRAN and its plug-in.Eventually the paper provides a theoretical basis for optimizing the structural design of oil tanker.

This paper emphasizes the calculation and analyzation of each component’s stress and deformation. Modifing and strengthen ship components by determining cabin areas which beyond allowable stress under the most unfavorable load cases. Ultimately the paper is designed to make sure that there exists enough security for oil tanker.

Keywords: Double hull tanker; Standard design; Finite element method; Yield strength; Buckling strength.

目 录

第1章 绪论 2

1.1 引言 2

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文的研究内容及意义 2

第2章 结构规范设计 2

2.1 全船概述 2

2.2 船体材料 2

2.3 外板 2

2.3.1 船底板 2

2.3.2 平板龙骨 2

2.3.3 舭列板 2

2.3.4 舷侧外板 2

2.3.5 舷侧顶列板 2

2.3.6 局部加强及外板开口 2

2.4 甲板板 2

2.4.1 强力甲板 2

2.4.2 甲板边板宽度及厚度 2

2.4.3 下甲板和平台甲板 2

2.5 船底骨架 2

2.5.1 中桁材 2

2.5.2 箱形中桁材侧板 2

2.5.3 箱形中桁材船底骨材和内底骨材 2

2.5.4 旁桁材 2

2.5.5 旁桁材上水平加强筋 2

2.5.6 实肋板 2

2.5.7 舭肘板 2

2.5.8 船底纵骨 2

2.5.9 内底板 2

2.5.10 内底纵骨 2

2.5.11 底边舱斜板 2

2.5.12 斜板纵骨 2

2.6 舷侧骨架 2

2.6.1 肋骨 2

2.6.2 舷侧纵骨 2

2.6.3 舷侧纵桁 2

2.6.4 内壳板及其扶强材 2

2.7 甲板骨架 2

2.7.1 甲板计算压头 2

2.7.2 甲板骨架 2

2.8 支柱 2

2.8.1 艏楼内支柱 2

2.8.2 机舱内支柱 2

2.9 深舱 2

2.9.1 水密横舱壁 2

2.9.2 水密纵舱壁 2

2.10 船端加强 2

2.10.1 艏尖舱内加强 2

2.10.2 尾尖舱内的加强 2

2.11 上层建筑及甲板室 2

2.11.1 上层建筑 2

2.11.2 甲板室 2

2.12 船体总纵强度 2

2.12.1 船体梁弯曲强度 2

2.12.2 船体总纵弯矩强度小结 2

第3章 有限元模型的建立 2

3.1 概述 2

3.2 模型范围 2

3.3 坐标系 2

3.4 单元和网格 2

3.5 模型规模 2

3.6 材料参数 2

3.7 分组模型 2

3.8 单元属性 2

3.8.1 板单元属性 2

3.8.2 梁单元属性 2

3.9 计算工况 2

3.10 载荷 2

3.10.1 舷外水压力 2

3.10.2 液舱内液体压力 2

3.11 端面弯矩 2

3.11.1 波浪弯矩 2

3.11.2 静水弯矩 2

3.12 边界条件 2

3.12.1 局部载荷工况边界条件 2

3.12.2 总体载荷边界条件 2

第4章 屈服强度计算与分析 2

4.1 许用用力 2

4.2 应力结果及分析 2

4.2.1 分组工作 2

4.2.2 板单元应力计算结果云图 2

4.2.3 梁单元应力计算结果云图 2

4.3 屈服计算小结 2

第5章 屈曲强度计算与分析 2

5.1 概述 2

5.2 评估区域、方法和标准 2

5.3 板格定义及腐蚀余量 2

5.4 各种构件板格屈曲强度的评估 2

5.4.1 船底板 2

5.4.2 甲板 2

5.4.3 舷侧外板 2

5.4.4 舷侧纵桁 2

5.4.5 内壳板 2

5.4.6 底边舱斜板 2

5.4.7 顶边舱斜板 2

5.5 屈曲强度评估结果 2

第6章 总结 2

6.1 结论 2

6.2 不足 2

6.3 个人总结 2

参考文献 2

致 谢 2

第1章 绪论

1.1 引言

油船是指装载散装石油或成品油的液货运输船舶。广义上是指散装运输各种油类的船，除运输石油之外，还装运成品油、动植物油、液态天然气和石油气等。狭义上油船多是指运输原油的船。其中成品油船为装运成品油的船；液化气体船为运输液态天然气和石油气的船。

早期的石油是以桶装的形式并通过普通干货船运输的。随着石油产量和运输量的迅速增长，第一次世界大战后，油船逐渐向专业化和大型化发展，发展为一种重要的专用运输船舶^[1]。同时在石油工业和化学工业的发展下，成品油和原油的运输趋于专业化，出现了专用的原油运输船和成品油船。在原油运输方面，为了改善单向运输经济效益差的状况，20世纪50年代后期出现能兼运石油和其他大宗散货的多种兼用船。目前世界油船总吨位在世界船舶总吨位中占了一半以上，而我国进口原油60%以上是来自中东地区，超过70%是通过VLCC运输到国内。考虑到世界油田分布的因素，以及新油源受政治和经济等诸多不确定因素的影响，中东仍是我国进口原油的重要来源^[2]。可预测现在及未来的几十年内，石油依然是主要能源，且海上运输依然是主要运送方式。随着港口单点系泊技术的日益成熟，在航道条件许可下，原油运输船应尽可能地大型化，以期取得更高的经济效益。

油船的分类方法大致有两种：