摘 要

随着国家对航道、港口、桥梁等基础设施建设投入地不断加大，对砂石等工程原材料需求量迅速增长，自卸砂船集挖砂运砂和卸砂于一体，自动化程度高，作业吃水浅，可适应沿海较多复杂工况，因此设计自卸砂船符合国家目前的发展需要。

本篇论文以一艘沿海100m自卸砂船为研究对象，首先对全船根据《钢质海船入级规范2015》进行规范设计，确定板厚及主要构件尺寸。然后采用Patran/Nastran有限元软件选取船中第一、三货舱的一半以及第二货舱建立舱段有限元模型，按照《矿砂船船体结构强度直接计算指南》要求，选定计算工况，计算载荷，确定边界条件等，对船体结构强度进行了有限元直接计算以及屈服强度校核。

根据有限元直接计算的结果，与《指南》所给的屈服强度许用应力比较，结果表明本文所设计的100m自卸砂船符合《指南》关于屈服强度的规定。同时，由应力云图本文发现，采用垂直于基线的支柱形式不利于货物载荷传递至船体底部，使得舷侧应力较为集中，在设计时应对舷侧顶部予以加强。

关键词：自卸砂船；规范设计；有限元计算；屈服强度

Abstract

Because more and more funds are invested in the construction of fairways, ports, bridges and other infrastructures, the demand for raw materials such as ore sand increases dramatically. Self-discharging sand ship combines the functions of dredging, transporting and discharging. With high level of automation, low operation draft, it can adapt to many kinds of offshore complicated operating conditions, which means it’s necessary to design self-discharging sand ship.

A 100m offshore self-discharging sand ship is taken as the object of the study. First, the self-discharging sand ship is designed according to RULES FOR CLASSIFICATION OF SEA-GOING STEEL SHIPS published by CCS, and the thickness of shells and the size of profiles are determined. Through Patran/Nastran, the half of the 1^st and 3^rd cargo and the whole 2^nd cargo are chosen to build the FEM model. According to GUIDELINES FOR DIRECT STRENGTH ANALYSIS OF ORE CARRIER, the operating conditions, loads and boundary conditions are decided, and then the directly finite element calculation of the self-charging sand ship is conducted and the yield strength is checked.

According to the results of direct finite element calculation, the design of 100m self-discharging sand ship meets the requirements of yield strength in the GUDLINES. Besides, by analyzing the fringe picture, it is found that the structure that the braces are perpendicular to the base line cannot pass the cargo loads effectively to the bottom of the ship, which results in the stress concentration at the top of the broadside. So it is necessary to reinforce this section when design the ship.

Key Words：Self-discharging sand ship; Rules；FEM; Yield strength

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 自卸砂船主尺度的研究 1

1.2.2 自卸砂船砂舱结构的研究 2

1.2.3 自卸砂船工程专用设备的研究 3

1.2.4 船体结构有限元计算研究 4

1.3 研究的目的及意义 4

1.4 研究的基本内容、目标及措施 4

第2章 船体结构规范设计 5

2.1 概述 5

2.1.1 简介 5

2.1.2 主要尺度及参数 5

2.2 外板 6

2.2.1 船底板 6

2.2.2 平板龙骨 6

2.2.3 舭列板 7

2.2.4 舷侧外板 7

2.2.5 舷顶列板 8

2.2.6 局部加强 9

2.3甲板 9

2.3.1 强力甲板 9

2.3.2 甲板边板 9

2.3.3升高甲板 10

2.4单层底 10

2.4.1 中内龙骨 10

2.4.2 旁内龙骨 10

2.4.3肋板 10

2.5双层底 11

2.5.1中桁材 11

2.5.2横骨架式肋板 11

2.5.3砂舱区域船底肋板 11

2.5.4横骨架式内底板及内底边板 11

2.5.5纵骨架式肋板 12

2.5.6纵骨架式船底纵骨 12

2.5.7纵骨架式内底板及内底边板 12

2.6舷侧骨架 12

2.6.1 肋骨 12

2.6.2舷侧纵桁 13

2.6.3 横骨架式强肋骨 13

2.6.4舷侧纵骨 14

2.6.5 纵骨架式强肋骨 14

2.7 甲板骨架 16

2.7.1计算压头 16

2.7.2甲板横梁 16

2.7.3横骨架式甲板纵桁 17

2.7.4横骨架式强横梁 18

2.7.5甲板纵骨 18

2.7.6纵骨架式甲板纵桁 19

2.7.7 纵骨架式强横梁 19

2.7.8舱口甲板纵桁 19

2.7.9 抗扭箱 20

2.8支柱 20

2.8.1 支柱的载荷 20

2.8.2支柱最小剖面积 20

2.8.3支柱的最小壁厚 20

2.9舱壁 20

2.9.1防撞舱壁 20

2.9.2舱壁板的厚度 20

2.9.3舱壁扶强材 21

2.9.4 桁材 22

2.10首尾柱、尾轴架 23

2.10.1首柱 23

2.10.2尾柱 23

2.11 船端加强 24

2.11.1首尖舱内的加强 24

2.11.2 首尖舱外的舷侧加强 24

2.11.3 尾尖舱内的加强 25

2.12主机基座及轴隧 25

2.12.1主机基座 25

2.13 上层建筑及甲板室 26

2.13.1计算压头 26

2.13.2上层建筑端壁和甲板室围壁 28

2.13.3上层建筑侧壁 29

2.13.4甲板 29

2.13.5机舱棚 30

2.14舷墙及栏杆 31

2.14.1 舷墙 31

2.14.2 栏杆 31

第3章 货舱区域总纵强度校核 32

3.1波浪弯矩 32

3.2船体梁弯曲强度 32

3.3船体梁总纵弯曲校核 33

第4章 货舱区域总纵强度直接计算 37

4.1船体有限元概述 38

4.2实船资料 38

4.2.1主尺度及主要参数 38

4.2.2船舶结构与主要构件 39

4.3 有限元模型 40

4.3.1有限元模型范围 40

4.3.2模型坐标系 40

4.3.3单元与网格 40

4.3.4材料参数 41

4.3.5模型分组 41

4.3.6单元属性 43

4.3.7模型规模 43

4.4载荷计算 43

4.4.1计算工况 43

4.4.2外部载荷 43

4.4.3内部载荷 44

4.4.4端面弯矩 45

4.5边界条件 46

4.5.1位移约束 46

4.5.2 端面约束 46

4.6许用应力 46

4.7应力计算结果 47

4.7.1主甲板 47

4.7.2内、外底板 48

4.7.3舷侧外板，纵舱壁板，双舷侧内舷纵桁或平台 50

4.7.4船底纵桁 52

4.7.5肋板、横舱壁板 53

4.7.6其它 54

4.7.8横向构件上的梁单元 55

4.7.9纵向构件上的梁单元 55

第5章 结论与总结 57

5.1结论 57

5.2总结 57

参考文献 59

致谢 60

第1章 绪论

1.1引言

我国近些年来为了扩大内需，拉动经济增长，不断加大对道路桥梁这些基础设施建设的投入。进行基础建设需要大量建材，因此砂石的需求量不断增大。为了充分利用水路资源，提高运输效率，降低运输成本，沿岸建成了许多简易码头和带简易快捷的卸货装置的船舶。这样，一种新型的船舶—自卸砂船便应运而生。自卸砂船在80年代初期开始出现,开始是在普通的深舱货船或半舱货船的货舱内架设砂斗和自卸设备,在结构上只能参照当时的货船或半舱船相应的规范进行设计,稳性也只考虑到装载砂石时货物重心高度对稳性的影响。当时这类船舶船型较小,船长仅30—40米,载货量也只有150—300吨。到了90年代初期,这类船舶已发展到载货量500—600吨,现在更发展到船长80—100米、载货量4000吨左右,而且有些还具有自吸设备^[1]。

按照规范对自卸砂船的定义：单甲板具有大舱口，货舱斜壁板向船中部倾斜，采用自身皮带输送机或其他机械装置卸除散装颗粒状货物的船舶。自卸砂船在船体结构、作业模式上与通常的干散货船有着明显不同，不属于常规运输船型。目前航行的自卸砂船一般为尾机型，全船可分为首尖舱、首二舱、货舱、机舱和舰舱五大舱室。通常其船体结构形式为单甲板、大舱口；布置有贯穿全船的V型或W型砂舱；砂舱区域为双舷，设有一道或两道内舷板（纵舱壁）以及平台甲板。砂舱的底部安装传送皮带和可移动的闸板，船员在主甲板上通过拉动砂舱底的闸板，可控制砂舱的开关。船头设有一个十几米至几十米的卸砂架(它可升降和前后移动)，砂舱前下方设有滚筒，卸砂皮带由滚筒牵动，循环往复于砂舱底和卸砂架之间，货物随之被卸到岸上的简易码头上。带动滚筒的原动机功率的大小决定卸砂速度，一般卸一船砂仅需要半小时左右。