摘 要

在目前的国际航运业中，散货船运输所占货物运输的比例有30％以上．由于货运量大，货源充足，航线固定，装卸效率高等因素的综合作用，散货船运输能够获得良好的经济效益，正是因为如此，散货船已成为运输船舶的主力军．本次毕业设计是根据《钢质海船入级规范》(2015版第2分册)和《散货船结构直接计算分析指南》(2003版)对10000吨散货船进行结构设计和横向强度有限元直接计算分析。

本论文的研究内容为10000吨散货船的结构设计和横向强度直接计算分析。主要是将结构规范设计法和有限元直接计算相结合，对本船设计的可靠性做出一个初步评估。

本文首先介绍了散货船的发展以及其结构特点，结构规范设计的一般方法以及有限元的应用软件MSC.Patran/Nastran。再根据《钢质海船入级规范》来完成整体结构的设计，并绘制结构设计草图，包括典型横剖面图，基本结构图以及横舱壁图。在此基础上选择典型舱段进行有限元建模，校核不同工况下的横向强度，校核结构满足规范要求。

关键词：散货船；结构设计；有限元计算；横向强度；

Abstract

In the international shipping industry, the shipping accounts for over 30% of the cargo transportation. Due to the large quantities of goods, supply of adequate, fixed route, and higher efficiency of loading and unloading, transportation of bulk cargo boat can obtain good economic benefits, bulk cargo ship has become the main force of the transport ships. The graduation design according to the sea going steel ships of norms "(2015 Edition) and the bulk cargo ship structure direct calculation analysis guide" (2003 Edition) of 10000 tons of bulk cargo ship for structure design and transverse strength finite element direct calculation and analysis.

The research content of this paper is the direct calculation and analysis of the structure design and the transverse strength of 10000DWT bulk carriers. The design method of the structure is combined with the direct calculation of the finite element method to make a preliminary assessment of the reliability of the design of the ship.

Firstly we introduce the development and structural features of the deck barge, the general method of the structural design and the software application MSC.Patranamp;Nastran about the FEM.Then to complete the overall structure design and draw the structural design sketches including transverse stations plan、general structure plan and transverse bulkhead plan, based on Rules for Construction of Sea-going ShipsEngaged on Domestic Voyages.Finally we choose a typical cabin to build a FEM model to check the transverse strength of different conditions. The results meet the Regulatory requirements.

Key Words：Bulk carrier; structure design; finite element calculation; Transverse strength;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 散货船概述 1

1.2.1 散货船简介 1

1.2.2 散货船的发展 2

散货船在上世纪50年代由遮蔽甲板船改良而来，在过去50年中得到了巨大的发展。从1960往后的三十年间 ，散货船数量增长了9.8倍，载重吨位也增长了27倍之多，一下子成为了世界上三大主流船型之一，具有巨大的市场需求，在世界航运中占有超过30%的份额的运输。近年来，好望角型、巴拿马型散货船和大灵便型散货船的需求量不断增加，占散货船需求比例也越来越大，但是小型灵便型散货船的需求下降。2003、好望角型、巴拿马型和大灵便型散货船订单量分别多达1430万、860万和660万载重吨，这相当于散货船订单总量的45%，27%和21%。总的来说，主要是经济的高速、设计和制造水平的日益提高，以及港口条件的不断扩大^{[ 1 ]}。除了逐渐增大的趋势，散装货船的发展趋势，主要体现在双壳，快速，多用途，使用的年龄增长，环境保护和自动化等方面的改善。这不仅是在我国的“节能减排”，以创建一个和谐社会，在第二十一世纪的新要求，而且还符合国际海事组织在解决世界航运散装货船海上事故经常造成严重的环境污染和新的建设标准的介绍。 2

1.2.3 散货船的结构特点 2

1.3船体结构规范设计 3

1.3.1船舶规范的定义 3

1.3.2 规范设计的基本步骤 3

1.4 有限元结构建模与强度校核 4

1.4.1 有限元软件MSC.PATRAN/NASTRAN 介绍 4

1.4.2 MSC在船舶行业的应用 4

第2章 结构规范设计及计算 6

2.1 概述 6

2.2 主尺度及系数 6

2.3 外板 6

2.3.1 船底板 6

2.3.2 平板龙骨 7

2.3.3 舭列板 7

2.3.4 舷侧外板 7

2.3.5 舷顶列板 8

2.4 甲板 9

2.4.1 强力甲板 9

2.4.2 甲板边板 9

2.4.3 平台甲板 9

2.5 船底 10

2.5.1 中桁材 10

2.5.2 旁桁材 10

2.5.3 实肋板 10

2.5.4 船底纵骨 11

2.5.5 内底纵骨 11

2.5.6 内底板 11

2.6 舷侧骨架 11

2.6.1 肋骨 11

2.6.2 舷侧纵绗 12

2.6.3横骨架式强肋骨 13

2.6.4 舷侧纵骨 14

2.7 甲板骨架 15

2.7.1 计算压头 15

2.7.2 甲板横梁 16

2.7.3 横骨架式甲板纵绗 17

2.7.4 横骨架式强横梁 17

2.7.5 甲板纵骨 18

2.7.6 舱口甲板纵绗 19

2.7.7 支柱 19

2.8 舱壁 20

2.8.1 平面舱壁板 20

2.8.2 平面舱壁扶墙材 21

2.8.3 桁材 22

2.9 首尾柱、尾轴架 23

2.9.1 首柱 23

2.9.2 无舵柱的尾柱 23

2.10 船端加强 24

2.10.1 首尖舱内的加强 24

2.11 主机基座及轴隧 24

2.11.1 主机基座 24

2.12 上层建筑及甲板室 25

2.12.1 计算压头 25

2.12.2 上层建筑端壁与甲板室围壁 26

2.12.3 甲板与甲板骨材 27

2.13 总纵强度校核 28

2.13.1 船体梁弯曲强度规范要求 28

2.13.2 中横剖面剖面模数计算 28

2.13.3 总纵强度校核 32

第3章 舱段强度有限元直接计算 32

3.1 适应范围 32

3.2 计算依据 32

3.2.1 船体图纸 32

3.2.2 相关规范 33

3.3 结构模型 33

3.3.1 模型范围 33

3.3.2 坐标系 33

3.3.3 单元划分 33

3.3.4 网格尺寸 33

3.3.5 材料参数 34

3.3.6 模型规模 34

3.3.7 单元属性 34

3.3.8 模型分组 35

3.3.9 边界条件 38

3.4 载荷 39

3.4.1 载荷类型 39

3.4.2 计算工况 40

3.4.3 工况载荷汇总 40

3.5 强度评估 41

3.5.1 一般要求 41

3.5.2 强度衡准 41

3.5.3 应力计算 41

3.5.4 结果分析 43

第四章 总结与展望 43

4.1 总结 43

4.1.1 结构规范设计总结 43

4.1.2 有限元计算总结 44

4.2 展望 45

参考文献 46

致谢 47

第1章 绪论

1.1 选题背景

第二次世界大战以后，由于散货运输的需要，散货船得到了迅速的发展，成为了世界运营船舶的主力船型之一。也正是因为其货运量大，货源充足，航线固定，装卸效率高等因素，散货船的优势突出，使其成为了船舶运输的主力军。干散货船占据了运输总量的70%以上。

为了提高货物的装卸效率，在散货船结构设计中，其结构形式往往是大开口的形式。

但是长大甲板开口的存在严重地削弱了船舶结构强度。所以在进行完船体结构规范计算后,进行有限元直接计算和校核，是保证船体结构的安全性有效的方法。本文首先运用结构规范设计法对10000吨散货船进行结构设计，再进行对其舱段的横向强度的校核。

1.2 散货船概述

1.2.1 散货船简介

散货船是散装货船的简称，是专门从事煤炭、矿石、化肥、水泥、钢材、木材等散装物料的船舶。在第二次世界大战后，由于散货船在货物的装卸速度，施工成本等方面具有得天独厚的优势，逐渐成为河海运输的主要形式。散货船的结构单一，不需要包装运输，不怕挤压，装卸方便，所以一般都是单甲板船。根据货物的种类散货船可分为不同的种类，目前市场上最重要的是：运煤船、运沙船、运木船、普通散货船、专用散货船、兼用散货船、特种散货船、谷物船、水泥船等。对粮食、水泥、钢材运输、铁矿石等大宗散货船可分为灵便型散货船，巴拿马型散货船、好望角型散货船和大湖型散货船^[1]。

1.2.2 散货船的发展

散货船在上世纪50年代由遮蔽甲板船改良而来，在过去50年中得到了巨大的发展。从1960往后的三十年间 ，散货船数量增长了9.8倍，载重吨位也增长了27倍之多，一下子成为了世界上三大主流船型之一，具有巨大的市场需求，在世界航运中占有超过30%的份额的运输。近年来，好望角型、巴拿马型散货船和大灵便型散货船的需求量不断增加，占散货船需求比例也越来越大，但是小型灵便型散货船的需求下降。2003、好望角型、巴拿马型和大灵便型散货船订单量分别多达1430万、860万和660万载重吨，这相当于散货船订单总量的45%，27%和21%。总的来说，主要是经济的高速、设计和制造水平的日益提高，以及港口条件的不断扩大^{[ 1 ]}。除了逐渐增大的趋势，散装货船的发展趋势，主要体现在双壳，快速，多用途，使用的年龄增长，环境保护和自动化等方面的改善。这不仅是在我国的“节能减排”，以创建一个和谐社会，在第二十一世纪的新要求，而且还符合国际海事组织在解决世界航运散装货船海上事故经常造成严重的环境污染和新的建设标准的介绍。

1.2.3 散货船的结构特点

目前世界散货船队在船的货舱结构大多为单壳、单壳散货船是混合骨架结构，全船只有一层全通甲板，双层底结构，在甲板上的两侧有两顶边舱，双层底舭有倾斜的底部侧箱。这样可以减少修整，并能防止航行翻滚，并危及船舶的稳定性，同时货舱四角的三角形水柜为压载舱，可用于调整吃水和高度稳定。在甲板和船体顶部，双底和侧底是纵向框架结构，侧中间横向框架。世界上现存典型的散货船结构模式在30多年的运营验证下，充分显示了其优越性，也充分暴露了它的弱点。近年来，国际海事组织（IMO）和船级社开始关注单壳体散货船频繁发生的海难事故，双壳体散货船就是在单壳体散货船的基础上产生的。由于内壳的增加，结构的重量增加，负载减少，并且增加了建筑成本^{[ 2 ]}。然而，没有特殊的压载水舱，它具有更好的安全性，经济和运营优势相比，单体散货船。