摘 要

本文以一艘内河1500DWT的硫酸船（以下简称“本船”）船体结构作为研究对象。首先依据中国船级社《钢质内河船舶建造规范》（2016）（以下简称《钢规》）和《内河散装运输危险化学品船舶构造与设备规范》（2008年）［以下简称《化规》］对全船结构进行规范设计，确定各个构件的尺寸，然后采用有限元软件MSC.Patran＆Nastran，选取该船船中处6个货舱（总共8个舱）内的主要构件建立三舱段有限元模型。按照《钢规》的要求选定计算工况，合理施加各种设计载荷，确定边界条件等，对其船体结构进行有限元直接计算，重点分析中间货舱主要结构构件的强度，并与《钢规》中的许用应力值进行比较，判断此船的强度是否达到规范的要求，并对不满足标准的构件和板材的尺寸进行加强。

在屈服强度校核满足要求后，根据《钢规》对本船船中部位N2货舱的主要结构构件进行板格屈曲强度的计算与评估。利用CCS板格屈曲评估系统进行屈曲强度分析，扣除腐蚀厚度，施加合理的边界条件，计算各个工况下板格的屈曲安全因子，然后与《钢规》规定的安全因子进行比较。

屈服强度直接计算结果表明，本船仅在LC3工况下时，纵舱壁垂直桁上有几个网格上的应力超出规范许用值，其余各种工况下船中货舱结构的各种构件的强度都能满足《钢规》的要求。板格屈曲强度计算结果表明，本船船中货舱结构的所有主要构件的板格都能满足《钢规》对平板屈曲强度的要求。

本文为硫酸船的结构直接计算提供借鉴，为该类船舶缩短设计周期完善结构性能提供必要的参考和依据。

关键词：硫酸船；规范设计；有限元法；屈服强度；屈曲强度

Abstract

The hull structure of an inland 1500 DWT sulphuric acid carrier is analyzed as an application example.To begin with,the whole ship structural specifications are designed according to Steel Inland River Ships" and " Code For Construction And Equipment Of Ships Carrying Dangerous Chemicals Inland Bulk" ,the main cabins of sulphuric acid carrier are chosen to build the three-dimensional model based on the MSC.Patran＆Nastran.According to the requirements of the rules,load cases,imposed loads and boundary conditions are to be determined.The anaiysis of primary structure members of the middle cargo hold is the key point.Finally the von Mises are compared with the permissible values.

After the yield strength calculations, the plate buckling strength calculations and evaluations of major structural components in parts of N2 on 1500 DWT sulphuric acid carrier cargos are conducted to compare with the permissible safety factor by using CCS plate lattice buckling evaluation system.

Yield strength direct calculation results show that the strength of the various components of the the ship structure meet the requirements after the longitudinal hatch coamings thickened to 16mm. Buckling strength calculation results show that the ship structure of all the main components can meet requirements of the rules after the bottom plate thickened to 17mm.

This paper provides reference for the direct calculation of the structure of bulk carriers and provides the necessary reference and basis for the improvement of the structure and performance of the similar ship.

Key Words：Shlphuric acid carrier; Standard design; Finite element method; Yield strength; Buckling strength

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2国内外研究现状 1

1.3研究的目的及意义 2

1.4本文主要工作 3

第2章 船体结构规范设计 4

2.1概述 4

2.1.1简介 4

2.1.2主要尺度及参数 5

2.2外板及内底板 5

2.2.1船底板 5

2.2.2平板龙骨 6

2.2.3舭列板 6

2.2.8局部加强 7

2.2.4舷侧外板 7

2.2.5舷侧顶列板 7

2.2.6首尾封板 8

2.2.7护舷材 8

2.2.9内底板 8

2.2.10内底边板 9

2.3甲板 9

2.3.1强力甲板 9

2.3.2首尾部强力甲板 9

2.3.3货舱区甲板 10

2.3.4甲板边板 10

2.3.5非强力甲板 10

2.3.6局部加强 11

2.4单底骨架 11

2.4.1船首单底骨架 11

2.4.2船尾单底骨架 12

2.5双底骨架 13

2.5.1货舱区双层底中纵剖面高度 13

2.5.2实肋板 13

2.5.3加强筋 14

2.5.4水密实肋板 14

2.5.5桁材 14

2.5.6船底纵骨与内底纵骨 15

2.5.7污水阱 16

2.6舷侧骨架 16

2.6.1肋骨间距 16

2.6.2.货舱区域 16

2.6.3机舱区域 17

2.6.4首尾区域 18

2.7甲板骨架 19

2.7.1机舱区域(横骨架式） 19

2.7.2首尾区域 21

2.7.3上甲板 22

2.7.4船员甲板区域 23

2.7.5驾驶甲板区域 24

2.7.6顶棚甲板区域 25

2.7.7液货舱区域（纵骨架式） 26

2.8舱壁 28

2.8.1平面舱壁 28

2.8.2槽型舱壁 29

2.8.3平面舱壁扶强材 30

2.9垂直桁和水平桁 32

2.9.1垂直桁 32

2.9.2水平桁 32

2.10支柱及桁架 33

2.10.1.船员甲板支柱 33

2.10.2上甲板支柱 33

2.10.3首部平台 34

2.10.4首部底舱 34

2.10.5桁架 35

2.11首尾结构及尾轴架 37

2.11.1首柱 37

2.11.2推进器柱 38

2.11.3桨叶与外板间 38

2.12主机基座及机舱骨架 39

2.12.1主机基座的构件尺寸 39

2.12.2机舱骨架 39

2.13舱口和舱口盖 39

2.13.1舱口围板 39

2.13.2 钢质舱口盖及其封闭装置 39

2.14上层建筑及甲板室 40

2.14.1上甲板 40

2.14.2船员甲板 41

2.14.3驾驶甲板 41

2.14.4顶蓬甲板 42

2.14.5机舱棚、货舱棚 42

2.15舷墙、栏杆及其他 43

2.15.1舷墙 43

2.15.2栏杆 43

2.16中剖面模数和中剖面惯性矩 43

第3章 屈服强度直接计算分析 46

3.1概述 46

3.2计算依据 47

3.2.1 1500t级硫酸船 结构设计图纸 47

3.2.2相关规范 48

3.3计算模型 48

3.3.1模型范围 48

3.3.2坐标系 48

3.3.3单元与网格 48

3.3.4模型规模 49

3.3.5材料参数 49

3.3.6分组的模型 49

3.3.7单元属性 52

3.3.8计算工况 53

3.3.9载荷 54

3.3.10边界条件 59

3.4应力的结果和强度校核 59

3.4.1提取应力结果的分组 59

3.4.2强度标准 60

3.4.3板单元应力结果及强度校核 60

3.4.4梁单元应力结果及强度校核 80

第4章 主要构件板格屈曲强度计算与校核 85

4.1概述 85

4.2计算板格临界应力的板厚减缩 85

4.3主要船体板平面板格的屈曲强度计算 85

4.3.1板格屈曲临界应力计算 85

4.3.2屈曲强度衡准 87

4.3.3 屈曲安全因子计算与评估 88

4.3.4屈曲评估结果 92

第5章 结论 92

5.1结论 92

5.2论文工作的不足 93

参考文献 93

致 谢 95

第1章 绪论

1.1引言

硫酸船是一种设计和建造难度较大的高技术、高附加值船型。随着化学工业渗透到人类社会生活的每一个领域, 人们对化工产品的需求越来越大。对于化工企业,其产品的运输量日益增加,这就相应地促进了化学品船的发展。由于传统运输方式不能安全的运输化学品货物，已经不能适应时代的步伐。另外，自全球金融危机爆发以来，世界航运贸易形势发生了重大变化，这种变化进而导致了船舶订单量的下降。面对充满变数的航运市场，船东们的要求日益严格。不过，船东在订造新船型时最为关注的还是船舶的运营风险和盈利能力。为了满足时代的节奏和船东的需求，开发更为新型的化学品船型在造船行业显得日益紧迫。

一直以来，尤其是近几十年来，硫酸船的海损事故频出。根据国际船级社协会（IACS）和各船级社的统计报告，结构损坏和本身强度不足是主要原因。由于结构的特殊性、硫酸的腐蚀性以及卸货方式的复杂性，硫酸船存在多处相对薄弱的结构区域，如双层底结构、舷侧肋骨和肘板、货舱区甲板及槽型舱壁等。同时船舶在航行时所受到的外力相当复杂，并且是随机性动态变化的。这些结构在运载重货或遭遇恶劣海况时，都有可能发生破坏^[1]。随着硫酸船船体损伤引起的沉船事故逐渐增多，硫酸船的安全问题引起了世人的广泛关注。对硫酸船的结构强度进行校核可保证船体结构强度上的要求，可有效防止结构失效。因此，新造和已投入使用的船舶的结构强度必须进行校核，从而确保硫酸船的航行安全。

1.2国内外研究现状

船体强度是研究船体结构安全性的科学，是指船体结构抵抗破坏或变形的能力，包括船体的总纵强度、横向强度和局部强度^[2]。船体强度校核是指，对船舶结构在给定的载荷工况下计算其应力和变形，再与许用值比较，若不满足强度要求，应进行局部加强^[3]。