摘 要

甲板运输船是一种较为成熟的船型，肩负着运输沿海大型机械设备及矿石等货物的重任，同时其具有结构简单、装卸货物方便、造价较便宜等优点而深受船东们的青睐。考虑到该类船舶甲板较宽很容易导致尺度比超出规范要求，因而其结构强度问题不容忽视。

本文主要内容包括规范法（参照《钢制海船入海级别规范》2015版，以下简称“规范”）设计船舶结构，以及通过MSC.Patran2010、MSC.Nastran2010、Sesam大型有限元仿真软件，建立舱段/整船有限元模型，并按照规范施加相应的约束及载荷来校核强度问题，并根据结果修改结构设计，力求得出安全、经济的设计方案。

本文内容主要如下：

1.参照《钢制海船入海级别规范》2015版，结合母型船相关资料，对本船进行结构设计以及简要的布置，确定船体各结构形式及尺寸；

2.应用大型通用有限元软件MSC.Patran2010，建立舱段模型，参照CCS《钢制海船入海级别规范》2015版，施加相应约束和载荷，应用MSC.Nastran2010求解，校核横向强度。

3.在挪威船级社Sesam系统中建立全船有限元模型，进行波浪载荷的短、长期预报及校核整船结构强度。

关键词：甲板运输船；结构设计；横向强度；整船有限元；直接计算

Abstract

As a more mature ship bull, deck carrier has taken the responsibility for transporting coastal cargo, such as iron ore and large-scale machine equipment. It is highly favored by ship-owners because of its advantage: simple structure, easy cargo handling, and lower cost. Considering that its deck is relatively wide which causes its aspect ratio and breadth-depth ratio easily beyond limitation of the standard, so that it is necessary to evaluate the structural strength.

The main content of this paper is divided into 3 parts:

1. According to the parent ship and the related data, a brief subdivision and the structure of deck carrier were designed, referencing to CCS Rules and Regulations for the Construction and Classification of Sea-going Steel Ships(Edition 2015).

2. The finite element model of cabin was set up in the common software MSC.Patran 2010.Add the loading and boundary conditions according to the CCS Rules and Regulations for the Construction and Classification of Sea-going Steel Ships(Edition 2015) to the model and calculate the stress result by MSC. Nastran to check the transverse strength.

3. The finite element model of whole ship was set up in the software DNV Sesam. Create the short/long term response and direct strength analysis through it.

Key Words：deck carrier；ship structure design；transverse strength；the finite element model；direct calculation.

目录

摘 要 1

Abstract 2

第1章 绪论 1

1.1 甲板运输船结构特点 1

1.2 船体结构设计 1

1.3 船体结构强度校核 2

1.4 本文主要工作及思路 3

第2章 规范法结构设计 4

2.1 概述 4

2.2 主尺度与系数 4

2.3 外板 5

2.3.1 船底板 5

2.3.2 平板龙骨 6

2.3.3 舭部列板 6

2.3.4 舷侧外板 6

2.3.5 舷顶列板 8

2.3.6 局部加强 9

2.4 甲板 9

2.4.1 强力甲板 9

2.4.2 甲板边板 9

2.5 船底 10

2.5.1 纵骨架式 10

2.5.2 横骨架式肋板 10

2.6 舷侧骨架 11

2.6.1 首尾尖舱外肋骨 11

2.6.1 首尾尖舱内肋骨 11

2.6.1 甲板间及上层建筑肋骨 12

2.6.2 机舱区域内横骨架式强肋骨 12

2.6.3 舷侧纵骨 12

2.6.4 纵骨架式强肋骨 14

2.7 甲板骨架 14

2.7.1 计算压头 14

2.7.2 甲板纵骨 15

2.7.3 甲板横梁 16

2.7.4 甲板强横梁 17

2.8 支柱 18

2.8.1 支柱的载荷 18

2.8.2 支柱的剖面积 18

2.8.3 支柱的最小壁厚 18

2.9舱壁 19

2.9.1 防撞舱壁 19

2.9.2 舱壁板厚 20

2.9.3 舱壁扶强材 21

2.10 船端加强 22

2.10.1 首尖舱 22

2.10.2 尾尖舱 22

2.11 主机基座 23

2.11.1 机座纵桁 23

2.11.3 横隔板、横肘板 23

2.12 上层建筑及甲板室 23

2.12.1 计算压头 23

2.12.2 上层建筑端壁和甲板室围壁 26

2.12.3 甲板 28

2.13 舷墙及栏杆 30

2.13.1 舷墙 30

2.13.2 栏杆 30

第3章 横向强度校核 31

3.1 有限元模型 31

3.1.1 坐标系 31

3.1.2 结构模型 31

3.1.3 边界条件 32

3.1.4 单元属性 32

3.1.5 材料属性 34

3.2 计算工况 34

3.3 模型载荷 34

3.3.1 甲板载荷 34

3.3.2 舷外水压力 35

3.4 强度评估 36

3.4.1 一般要求 36

3.4.2 屈服强度评估 37

3.4.3 计算结果 37

3.4.4 结果分析 42

3.5 总结、思考及不足 42

3.5.1 支柱端部结构加强 42

3.5.2 舷外水压力载荷变动 43

3.5.3 关于甲板载荷的思考 44

第4章 船体结构强度有限元直接计算 46

4.1 引言 46

4.2 预处理整船结构有限元模型 48

4.2.1处理前全船有限元模型 48

4.2.2 PRE处理三维水动力计算模型 55

4.3 波浪载荷短期预报 61

4.4 波浪载荷长期预报 64

4.4.1 波浪散布图 64

4.4.2 长期预报结果及分析 65

4.5 设计波参数 66

4.6 强度标准 67

4.7 计算结果 68

4.8 结果分析 72

4.9 总结、思考及不足 72

第五章 总结与展望 74

参考文献 75

致谢 77

第1章 绪论

自改革开放以来，尤其以在长三角，珠三角地区经济改革，大量资金涌入；以及世界级港口：上海港、宁波舟山港、南通港、南京港等带动下，经济高速增长促进了国内外航运业的迅猛发展，国内大力进行航道和港口，码头建设，原材料如矿石，黄沙等以及大型机械设备需求也在随之增大，应运而成的甲板运输船成为了运输重大件的主力军。

1.1 甲板运输船结构特点

与传统货物运输船不同，用于重大件运输的甲板货船是一种不同于一般货物运输的特殊船舶，这类船舶具有很大的承载甲板，适宜装载重大件货物，即一些超长，超宽，超重的货物（比如海洋平台模块，大型设备，集装箱岸吊等一些大型机械装置）或者以货物积载因数较小的密度较大的诸如矿石，黄沙等货物。这类船舶有些带自航能力，有些不能自航，但他们共同特点是方形系数较大，长宽比较小，航速要求小，但对载货能力要求较高。该类船通常为肥大型船舶，型线比较简单，建造工艺简单，便于装卸施工，投资造价和营运成本低，收益率高等优点而深受地方中小型船长和船东们的青睐。

结构上由于甲板运输船主要在甲板上运输货物，因而对甲板要求较高，而甲板下方舱室要求不高，大多为空舱或者压载水舱，提供排水量。由于其载货的特殊性决定了甲板运输船质心较高, 稳性较差，纵观近几年甲板运输船的数据，大多主尺度也超出规范的要求，或者按照刚到达规范允许的最低强度要求设计。以节约成本为目的则牺牲了部分强度，因而在船舶营运过程中存在结构破坏的事故隐患，这也是设计者所不愿意看到的事故，因此甲板运输船的结构设计和分析此类船舶的结构强度便显得尤为重要。

1.2 船体结构设计

18世纪40年代以前，所有的船舶都凭经验建造，也经历了带有巨大损失的尝试，后来通过对建造实绩和航行经验的总结与提高，逐渐形成了造船所应遵循的规范。随着产业革命，贸易业发达起来，船舶建造越来越多，到1853年出现了第一本船级协会颁布的《建造规范》，由英国劳氏船级协会出版，用于木船的建造。随后1855年、1888年出现了《铁船规范》、《钢船规范》，从此开始了船舶规范进步和完善的漫长之路。