摘 要

本文以一艘57.8m双体采石船（以下简称“本船”）的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《内规》）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.Patranamp;Nastran，建立全船主要结构的三维有限元模型。按照《内规》的要求确定各工况，载荷以及边界条件等，对全船结构屈服强度进行有限元直接计算和分析评估，将组合应力与《内规》中的许用应力值进行比较。最后，判断本船的屈服强度是否达到《内规》的要求，并对不符合标准的构件的尺寸进行加强。屈服强度直接计算结果表明，在第一层围壁下的片体主甲板上各加一道甲板纵桁后，本船的各主要构件的屈服强度都能满足《内规》的要求。

基于屈服强度直接计算的应力结果，根据《内规》对主要构件上平面板格的屈曲强度进行计算与评估。利用CCS开发的船舶板格屈曲评估系统进行屈曲强度分析，在扣除腐蚀厚度后，计算各工况下板格的屈曲安全因子，然后取各组构件最小屈曲安全因子与《内规》规定的安全因子进行比较。板格屈曲强度计算结果表明，本船所有主要构件的板格都能满足《内规》对屈曲强度的要求。

关键词：双体采石船；规范设计；有限元分析；屈服强度；屈曲强度

Abstract

This paper takes the hull structure of a 57.8m double quarrying ship (hereinafter referred to as "the ship") to be analyzed as an application example. First, the whole ship structural specifications are designed according to CCS Rules for the Construction of the Inland Waterways Steel Ships 2016 (Inland Steel Ship Rules) to determine the size of each component. Then, the finite element software MSC.Patran amp; Nastran is used to establish the three-dimensional finite element model of the main structure of the whole ship. According to the Inland Steel Ship Rules, the load cases, imposed loads and boundary conditions are to be determined. The finite element direct calculation and analysis of the structural yield strength of the whole ship are carried out. The von Mises are compared with the permissible values provided by Inland Steel Ship Rules. Finally, determine whether the yield strength of the ship to achieve the requirements of Inland Steel Ship Rules, and strengthen the size of the components and plate which do not meet the standards. Yield strength direct calculation results show that the strength of the various components of the the ship structure meet the requirements after add a deck girder to the main deck under the first house wall.

Based on the stress results of the direct calculation of the yield strength, the buckling strength of the flat panel on the main components is calculated and evaluated according to the Inland Steel Ship Rules. Subtracting the corrosion thickness, using the CCS buckling evaluation system of ship plate plug to calculate the plate buckling safety factor in all kinds of the load cases, then the results are to be compared with the permissible safety factor provided by Inland Steel Ship Rules.The calculation results of the plate buckling strength show that the plates of all the main components of the ship can meet the requirements of Inland Steel Ship Rules on the plate buckling strength.

Key Words：Double quarrying ship; Standard design; Finite element analysis; Yield strength; Buckling strength

目 录

第1章 绪论 7

1.1 引言 7

1.2 国内外研究现状 7

1.3 研究的目的及意义 8

1.4 本文主要工作 8

第2章 船体结构规范设计 10

2.1 概述 10

2.1.1 简介 10

2.1.2 主要尺度及参数 10

2.2外板 11

2.2.1 船底板、平板龙骨和舭列板 11

2.2.2 舷侧外板和舷顶列板 13

2.2.3 艏艉封板 14

2.3 甲板 14

2.3.1 主甲板 14

2.3.2 主甲板边板 16

2.3.3 上甲板 16

2.3.4 顶蓬甲板 16

2.3.5 局部加强 17

2.3.6 甲板开口 17

2.3.7 舱口围板 18

2.4 船底骨架（纵骨架式单层底） 18

2.4.1 实肋板 18

2.4.2 中内龙骨和旁内龙骨 19

2.4.3 船底纵骨 19

2.5 舷侧骨架 19

2.5.1 强肋骨 19

2.5.2 舷侧纵骨 20

2.5.3 舷侧纵桁 21

2.5.4 舷侧强肋骨与强横梁之间的连接 21

2.6 甲板骨架 21

2.6.1 主甲板（艉~艏） 21

2.6.2 上甲板（Fr22~Fr100） 22

2.6.3 绞缆机平台（Fr92~Fr100） 24

2.6.4 顶蓬甲板（Fr48~Fr76） 25

2.7 支柱 26

2.7.1 支柱的设置与连接形式 26

2.7.2 支柱负荷的确定 26

2.7.3 支柱的确定 27

2.7.4 支柱肘板 28

2.7.5 支柱的垫板 29

2.8 桁架 29

2.8.1 桁架的组成 29

2.8.2 桁架上弦杆 30

2.8.3 桁架下弦杆 31

2.8.4 斜杆 32

2.8.5 桁架节点板 34

2.9 舱壁 35

2.9.1 舱壁板 35

2.9.2 舱壁扶强材 35

2.9.3 舱壁垂直桁 36

2.9.4 舱壁水平桁 36

2.10 艏、艉封板 37

2.10.1 艏、艉封板扶强材 37

2.10.2 艏、艉封板垂直桁 37

2.10.3 艏、艉封板水平桁 38

2.11 上层建筑 38

2.11.1 围壁 38

2.11.2 围壁扶强材 39

2.12 栏杆 41

2.13 中剖面模数和中剖面惯性矩 42

第3章 屈服强度直接计算分析 45

3.1 船体有限元概述 45

3.2 实船资料 45

3.2.1 主尺度及主要参数 45

3.2.2 船舶结构形式与特点 46

3.3 有限元模型 46

3.3.1 计算依据 47

3.3.2 模型范围 47

3.3.3 模型坐标系 48

3.3.4 单元与网格 48

3.3.5 模型规模 48

3.3.6 材料参数 49

3.3.7 模型分组 49

3.3.8 单元属性 57

3.4 载荷计算及边界条件 60

3.4.1 计算工况 60

3.4.2 载荷 62

3.4.3 边界条件 69

3.5 应力的结果和强度校核 70

3.5.1 强度标准 70

3.5.2 板单元的应力结果及强度校核 71

3.5.3 梁单元的应力结果及强度校核 97

第4章 主要船体板板格屈曲强度计算分析 105

4.1 概述 105

4.2 计算板格临界应力的板厚折减 105

4.3 纵骨架式主甲板和船底板的屈曲强度 105

4.4 舷侧外板和横舱壁的剪切屈曲强度 106

4.5 考虑复杂梁应力的平面板格屈曲计算与评估 107

4.5.1 评估区域、方法和标准 107

4.5.2 各种构件板格屈曲强度的评估 108

4.5.3 屈曲评估结果 113

第5章 结论 114

5.1 结论 114

5.2 论文工作的不足 114

参考文献 115

致 谢 116

第1章 绪论

1.1引言

我国江河湖泊众多，水系发达，为我国疏浚业的发展提供了巨大的市场需求。疏浚业中使用最为广泛的疏浚设备就要属挖泥船。挖泥船的作用主要包括河道整治、采石和挖沙等 ^[1~2] 。

挖泥船的种类很多，主要有链斗式和绞吸式。其中，链斗式就是利用挖斗在水下直接挖沙石、提升，完成水下挖掘过程,对于内河等浅水区域链斗式挖泥船尤为适用^[3~4]。

近年来，我国疏浚企业发展很大，但受中国疏浚企业设备现状、员工素质和资产收益率、利润率水平等因素的影响，和世界著名企业相比，还有很大差距。原因在于疏浚市场的快速发展导致对疏浚设备，特别是大中型挖泥船的需求大幅增加。

由于挖泥船受到不同作业环境，作业效率等因素的影响，其船体结构常常不同于一般船舶，并且由于挖泥船属于特种工程船，且挖泥船种类繁多，不同挖泥船上的工程机械以及施工时的振动等都会对船体结构强度有不利的影响。因此，对新造和已投入使用的挖泥船的结构强度进行校核是很有必要的。

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和变形的能力，主要包括船体结构的总纵强度和局部强度，对于一些特殊的船舶还有研究其船体结构的横向强度和扭矩等^[5]。船体结构的强度校核是指在给定的荷载工况条件下确定船体主要构件的应力和变形，再与许用值进行比较，对不满足要求的结构进行局部加强。

船舶的结构强度设计主要是根据各船级社颁布的有关建造规范进行结构设计。现有的规范基本都是以过去的船舶建造经验为基础，是基于船体梁理论以及大量经验公式的传统设计方法^[6]。这种方法简单而又实用，特别适用于常规的船舶，至今仍有非常强大的现实使用意义。然而，随着船舶行业的发展，船舶建造已经向着大型化、深水化、自动化发展。随着船舶行业的发展，船舶的结构越来越复杂，尺度越来越大，作用于船舶上的载荷也越来越复杂多样。传统的基于规范确定的结构设计的方法有时候并不能完全的满足一些船舶的强度需求。所以，现今各国船级社都在船舶入级规范中增加了对船舶采用三维有限元直接计算分析和校核的规定，尤其是对尺度比较大或结构特殊的船舶。