摘 要

本文根据《钢质海船入级建造规范》（2018）设计三用工作船船体构件，确定三用工作船各主要构件的尺寸和规格，完成船体结构规范计算书。在确定构件尺寸和规格的基础上，进行结构布置并运用CAD软件完成设计船基本结构图和典型横剖面图的绘制。本文借助有限元软件，建立三用工作船有限元三维舱段模型，按规范中强度直接计算相关章节确定单元网格类型和尺寸，计算和施加载荷和边界条件，计算得出舱段各构件应力分布结果。根据许用应力规范，对应力分布进行分析并完成强度校核。

本文综合运用了规范设计法和有限元分析法，侧重于船体结构设计，简化了总布置设计的步骤。结构规范设计在规范要求的基础上，按照母型船资料选取构件的尺寸和规格。有限元强度校核各步骤计算结果用图表佐示，舱段模型取以中纵剖面对称的右半体，忽略了一些不影响构件应力分布的不对称结构。

研究结果表明，由规范设计法确定的各主要构件尺寸满足许用应力要求。甲板骨架、舷侧骨架、船底骨架等梁单元结构应力分布较小，可适当减弱骨架强度。同时，舱壁结构处应力较大，应当作适当加强。

关键词：三用工作船；结构规范设计；有限元分析；强度校核

Abstract

In this paper, the structural components of the AHTS are designed according the rules and regulations for the construction and classification of sea-going steel ships(2018), after determining the dimensions and specification of the main structural components of the AHTS and completing the calculation book for the structural components. On the basis of determining the dimensions and specification of the components, completing the construction profile and the typical transverse section of the design ship by CAD. After finishing the design for the structural components, establishing a finite element cabin model of the AHTS designed. According to the relevant chapters of the direct calculations of hull structural strength, determining the type and size of the element mesh, calculating and applying the load and boundary conditions, and calculates the stress distribution results of each structural components of the cabin. According to the rules about permissible stress, analyzing the stress distribution results and completing the strength assessment.

In this paper, the standard design method and the finite element analysis method are synthetically used, focusing on the hull structural design and simplifying the steps of the general arrangement design. Based on the requirements of the rules, the dimension and specification of each structural components are selected according to the data of the parent ship. The calculation results of each step of the finite element strength assessment are illustrated with charts. The right half of the cabin model is symmetrical in the middle longitudinal section, and some asymmetric structures that do not affect the stress distribution of the members are ignored.

The results show that the dimensions of the main components determined by the standard design method meet the requirements of the permissible stress. The stress distribution of beams such as deck framing, side framing and bottom framing is smaller, which can reduce the strength of framing properly. At the same time, the stress at the bulkhead structure is larger, which should be strengthened properly.

Key words: AHTS; structural standard design; finite element analysis; strength assessment

目录

摘 要 I

Abstract II

第 1 章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容及研究方法 2

第 2 章 船舶结构布置方案 4

2.1 船舶概况 4

2.2 主尺度 4

2.2.1 母型船资料 4

2.2.2 设计船主尺度 4

2.3 总布置 5

2.4 结构布置 5

第 3 章 船体结构规范设计 1

3.1 肋骨间距与系数 1

3.1.1 肋骨间距 1

3.1.2 系数 1

3.2 外板 2

3.2.1 船底板 2

3.2.2 平板龙骨 3

3.2.3 舭列板 4

3.2.4 舷侧外板 4

3.2.5 局部加强 5

3.3 甲板 6

3.3.1 强力甲板 6

3.3.2 甲板边板 7

3.3.3 平台甲板 7

3.3.4 上层建筑和甲板室的甲板 7

3.3.5 艏楼甲板 7

3.4 单层底 8

3.4.1 中内龙骨 8

3.4.2 旁内龙骨 8

3.4.3 肋板 8

3.4.4 舭肘板 9

3.4.5 流水孔 9

3.5 双层底 9

3.5.1 中桁材 9

3.5.2 旁桁材 10

3.5.3 实肋板 10

3.5.4 水密肋板 10

3.5.5 组合肋板 11

3.5.6 内底板 11

3.5.7 船底纵骨 12

3.6 舷侧骨架 12

3.6.1 主肋骨 12

3.6.2 首尾尖舱肋骨 13

3.6.3 上层建筑肋骨 13

3.6.4 舷侧纵桁 14

3.6.5 强肋骨 15

3.7 甲板骨架 15

3.7.1 计算压头 15

3.7.2 甲板横梁 16

3.7.3 甲板纵桁 18

3.7.4 强横梁 18

3.7.5 甲板纵骨 19

3.8 支柱 20

3.9 舱壁 21

3.9.1 非水密支承舱壁 21

3.9.2 水密舱壁 22

3.9.3 槽型舱壁 22

3.9.4 平面舱壁扶强材 23

3.9.5 桁材 23

3.10 首柱、尾柱及艏楼 24

3.10.1 首柱 24

3.10.2 艉柱 24

3.10.3 推进器柱 25

3.11 船端加强 25

3.11.1 首尖舱内的加强 25

3.11.2 尾尖舱的加强 26

3.11.3 船首底部的加强 26

3.11.4 艉尖舱后的舷侧加强 26

3.12 上层建筑及甲板室 27

3.12.1 计算压头 27

3.12.2 围壁 29

3.12.3 甲板板 31

3.12.4 甲板横梁 32

3.12.5 甲板纵桁 32

3.13 舷墙和栏杆 33

第 4 章 船体结构强度计算 34

4.1 有限元分析方法 34

4.1.1 舱段模型分析方法 34

4.2 模型建立 35

4.2.1 模型范围 35

4.2.2 单元与网格 35

4.2.3 材料属性设置 36

4.3 载荷及边界条件 36

4.3.1 结构自重 36

4.3.2 总纵弯矩 36

4.3.3 舷外水压力 38

4.3.4 液舱内液体压力 39

4.3.5 货物重量 40

4.3.6 边界条件 40

4.4 结果后处理 41

4.4.1 许用应力 41

4.4.2 板单元应力分布 42

4.4.3 梁单元应力分布 44

4.5 本章小结 44

第 5 章 全文总结 46

5.1 全文主要工作 46

5.2 主要研究结论 46

5.3 工作展望 46

参考文献 48

致谢 49

绪论

研究目的及意义

三用工作船主要设计用于起锚和拖曳，但也越来越趋于包括采油，营救和消防功能在内的多功能化要求^[14]。规范设计法对三用工作船的船体构件进行的规范设计虽然简单可行，但包括三用工作船在内的近海供应船是由拖船演变而来^[1]，与散货船、油船相比，三用工作船结构更加复杂且安全性能要求更高，载荷和边界条件的计算与施加也没有详细的标准，根据规范设计法确定的计算构件尺寸或过于保守或过于冒险。所以需要采用有限元法进行结构强度直接计算，分析校核其强度，修改计算构件尺寸并完成结构设计方案。

本次毕业设计结合相关的设计规范，对三用工作船船体结构进行设计，运用有限元软件，建立有限元模型，对结构强度进行分析，分析船体构件的应力特点和受力分布情况，解决了三用工作船的结构分析问题，为改善三用工作船船型的船体结构设计方案提供理论支持而具有实际意义。

国内外研究现状

三用工作船是一种集海上拖带，平台供应，对外消防等功能于一体的多功能船舶，兼有海上救助、海上平台守护、帮助海上设施布锚及起锚等功能^[2]。