摘 要

本设计以船长142.5m的某内河散货船为例，根据《钢质内河船舶建造规范》（2016）（以下简称《规范》）^[1]及大舱口船舶自有特点，将货舱由三舱设计改为两舱设计，对其结构进行了优化。本设计主要进行了以下四个方面的研究工作：

（1）三舱船总纵扭转组合强度的计算。根据《规范》的基本原则，运用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran对三舱船建立全船有限元结构模型，对模型施加载荷，并对其总纵强度进行了校核。

（2）三舱船的结构优化。根据三舱船的基本结构图、横剖面图，对三舱船的结构进行优化，将货舱由三舱设计改为两舱设计，绘出两舱船的基本结构图、横剖面图、横舱壁结构图。

（3）对优化后的两舱船进行总纵扭转组合强度的计算。在三舱船全船有限元结构模型的基础上，建立新的两舱船的全船有限元结构模型，并对总纵扭转组合强度进行了校核。

（4）进行重量对比。根据《规范》计算出三舱船和两舱船的重量，进行钢料重量对比。

本设计详细说明了针对具有大开口等结构特点的散货船，在减少货舱的情况下， 对全船进行有限元强度校核的思路。分析结果表明：142.5m的某内河散货船将货舱由三舱设计改为两舱设计之后，船体总纵强度满足规范要求，从而证明了，在保证结构强度的情况下，大开口散货船在设计过程中可以尽可能减少货舱的数量，从而形成经济效益高，重量较轻的型式。

关键词：散货船；结构优化；规范设计；有限元分析；总纵强度

Abstract

This design uses an inland river bulk carrier of 142.5m in length as an example. According to the 《The Rules of Steel Inland Ship Manufacture》 (2016) and the characteristics of the ship with large hatches, the design of the cargo tanks will be changed from three cabins to two, its structure was optimized. This design mainly carries out the following tasks:

(1) The direct calculation of the total strength of the three-cabin ship. According to the basic principles of the rules, the finite element analysis software MSC.Patran/Nastran was used to establish a full-ship finite element model for the three-cabin ship and check the longitudinal strength.

(2) The three-cabin ship structure optimization. According to the blueprints of the three-cabin ship, the structure of the three-cabin ship was optimized, and the cargo tank was changed from the three-cabin design to the two-cabin design, and the basic structural blueprint, midship section blueprint and transverse bulkhead blueprint are drawn.

(3) Calculation of the total strength of the new ship after optimization. Based on the full-ship finite element model of the three-cabin ship, a new global-ship finite element model was established and the longitudinal strength was checked.

(4) Compare between the weights. According to the rules, the weights of the three-cabin ship and the two-cabin ship are calculated and compared.

This design explains in detail the idea of carrying out finite element strength verification for the whole ship, aiming at reducing the number of cabins for bulk carriers with large hatches and other structural features. The analysis results show that: After an inland river bulk carrier of 142.5m changed the cargo hold from a three-cabin design to a two-cabin design, the longitudinal strength of the hull satisfies the requirements of the specification, which proves that, in the case of ensuring the structural strength, large-hatch bulk carriers in the design process, the number of cargo tanks can be reduced as much as possible to reach the target that the ship has a high economical efficiency and a lighter weight.

Key Words：bulk cargo ship；structure optimization；design by rules；finite element analysis；longitudinal strength

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本设计内河散货船特点 2

1.4 研究目的及意义 3

1.5 设计的内容及目标 3

1.5.1设计的基本内容 3

1.5.2设计的基本目标 4

1.5.3拟采用的技术方案 4

第2章 整船整体布置概述 5

2.1 概述 5

2.1.1 总布置描述 5

2.1.2主尺度及主要参数 5

2.1.3主船体布置 5

2.1.4甲板室布置 6

2.2 船体结构 7

2.2.1概述 7

2.2.2 主要结构 7

2.2.2.1 舱底结构 7

2.2.2.2 舷侧结构 7

2.2.2.3主甲板及平台甲板结构 7

2.2.2.4 首柱 7

2.2.2.5 尾柱 7

2.2.2.6 主横舱壁及尾封板 7

2.2.2.7 液舱 8

2.2.2.8甲板室 8

2.2.2.9 附体及其它 8

2.2.3 舷墙和栏杆 8

2.2.4 阻尼材料 8

第3章 三舱船全船总纵强度计算 9

3.1 计算软件的选取 9

3.1.1 Solid Works软件简介 9

3.1.2 Hyper Mesh软件简介 9

3.1.3 MSC Patranamp;Natran软件简介 9

3.2 有限元模型的前处理 10

3.2.1部分几何模型 10

3.2.2部分网格划分 11

3.3 模型范围 11

3.4 模型规模 12

3.5 坐标系 12

3.6 单元类型 12

3.7 材料参数 12

3.8 边界条件 14

3.9 载荷及载荷施加 15

3.9.1舷外水压 15

3.9.2货物载荷 15

3.9.3结构自重 16

3.9.4波浪扭矩和货物扭矩 16

3.10 校核结果 17

3.10.1计算结果 17

3.10.2 应力云图 18

3.10.2.1中拱工况 18

3.10.2.2中垂工况 22

第4章 三舱船优化设计 28

4.1 舱壁设计 28

4.1.1平面舱壁板 28

4.1.2平面舱壁板扶强材 28

4.1.3垂直桁和水平桁 29

4.1.3.1垂直桁 29

4.1.3.2水平桁 30

4.2重量对比计算 30

4.2.1三舱船钢料重量计算 30

4.2.1.1货舱区域 30

4.2.1.2船首区域 32

4.2.1.3船尾区域 33

4.2.2 两舱船钢料重量计算 34

4.2.2.1货舱区域 34

4.2.2.2船首区域 36

4.2.2.3船尾区域 38

4.2.3重量对比 38

第5章 两舱船全船总纵扭转组合强度计算 40

5.1 说明 40

5.2 模型范围 40

5.3 模型规模 40

5.4 坐标系 40

5.5 单元类型 40

5.6 材料参数 40

5.7 边界条件 42

5.8 载荷及载荷施加 43

5.8.1舷外水压 43

5.8.2货物载荷 44

5.8.3结构自重 44

5.8.4波浪扭矩和货物扭矩 45

5.9 校核结果 45

5.9.1计算结果 46

5.9.2 应力云图 46

5.9.2.1中拱工况 46

5.9.2.2中垂工况 51

第6章 结论 57

参考文献 58

致 谢 60

第1章 绪论

1.1 研究背景

内河航运，尤其是长江航运，是综合交通运输体系中必不可缺少的一部分。20世纪90年代初，由于各种运输方式的快速发展和激烈的市场竞争环境，内河航运的发展受到了一定的影响。

从部分发达国家内河航运的发展轨迹来看，当经济社会的发展进程到一定程度后，内河航运的发展将处于优先发展的位置。同铁路、公路、航空等其他的运输方式相比之下，内河航运虽然速度较低，但却具有着其他运输方式不可取代的优势和发展潜力。内河航运可以利用已有河道，不占用土地，完成运输任务，并且，内河航运具有运量大、成本低、能耗小、污染少等优势。内河航运可以运输货物的种类繁多，在大批量货物、大件货物的运输方面具有不可替代的优势^[23]。

随着我国建成富强、民主、文明、和谐、美丽的社会主义现代化强国的愿望的逐步实现，经济发展的不断进步，社会主义现代化进程加快，社会经济结构的转型，我国内河航运的发展，呈现出快速发展的良好态势，内河航运的重要性和经济性日益凸显。

去年， “中国特色社会主义进入新时代”的重大判断在十九大上正式作出，明确的提出了我国一定要建设成为“交通强国”。内河航运今后的发展，必定会以“习近平新时代中国特色社会主义思想”为重要的指导思想，长江航运以新的使命为契机，奋力实现长江航运新的战略。我国鼓励在交通运输方面重点发展内河航运，特别是长江航运，一系列国家政策和措施的出台，内河航运无论在政策还是在发展上，相对比而言，各种优势就更加突出。

长江散货船是长江航运中的非常重要的船型，它的运输能力高达长江船舶总的运输能力的85%左右，承担着长江干线诸多的运输任务，许多货物的运输都要依托于长江上的散货船。自从长江三峡工程开始蓄水以后，长江水域的运输功能更呈现出快速发展的态势，内河的船舶得到了更多的关注，一直朝着标准化、大型化方向迅速发展，长江航运为中国的经济发展提供了快速路，降低了许多货物的运输成本，给一些企业提供了新的运输方式，提高了一些企业经济效益，刺激了船舶等行业的高新技术的产出和行业的快速发展。