3000吨级化学品船舱段有限元强度分析(附件)
摘 要摘 要内河化学品运输船舶是一种专业化程度较高的特种船型 [1], 具有高附加值、高技术含量的特点。随着经济发展，液货运输量不断增加，化学品船市场有了很大的发展。但是由于化学品船运输货物的复杂性和危险性，化学品船的设计制造规范比普通船舶更严格，特别是化学品船的结构强度和运输安全，各国船级社建造都有相应的严格规范要求。因此，详细对化学品船的结构强度计算分析是非常必要的。本文首先介绍了化学品船的发展过程，船型布置特点，船体结构特征，装载货物方式，主要设计原则等。另外，本文介绍了有限元计算分析方法，介绍了有限元软件MSC.PATRAN /NASTRAN在船舶结构强度直接计算中的应用。 本文主要工作是选择一艘3000吨化学品船，根据该船舶的总布置图，型线图，典型横剖面图，基本结构图，货舱区槽型横舱壁图等图纸，利用有限元软件MSC.PATRAN建立该船舶船舯#55肋位至#92肋位典型舱段的三维模型。然后，根据稳性计算书和《钢质内河船舶建造规范》(2009)及修订版本，选取六种典型工况和相应的边界条件对该舱段进行载荷加载并利用MSC.NASTRAN有限元软件对该舱段强度校核，计算该舱段主要构件的应力，并和规范中的应力衡准进行比较，得出次船舶该舱段的满足规范强度要求，并输出有限元应力计算模型。船结构强度计算分析可以对设计船舶进行结构优化，提高船舶结构安全和经济性能，它在船舶设计阶段具有重要意义。本文对化学品船舱段强度直接计算方法对化学品船设强度计提供了参考，具有一定的借鉴意义。关键词：化学品船；有限元；应力分析目 录
第一章 绪论 1
1.1 化学品船的分类 1
1.1.1 货运方式分类 1
1.1.2 按货舱设计布置不同 1
1.1.3 按转载货物的危险性和污染程度分类 1
1.2 化学品船发展史 2
1.2.1 世界化学品船发展历史 2
1.2.2 国内化学品运输的发展 2
1.3 化学品船发展方向 2
1.3.1 突显“两头大中间小”特点 2
1.3.2 船体大型化 3
1.3.3 延长使用寿命 3
1.3.4 成品油/化学品船 3
1.4 船型和舱型 3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
船发展史 2
1.2.1 世界化学品船发展历史 2
1.2.2 国内化学品运输的发展 2
1.3 化学品船发展方向 2
1.3.1 突显“两头大中间小”特点 2
1.3.2 船体大型化 3
1.3.3 延长使用寿命 3
1.3.4 成品油/化学品船 3
1.4 船型和舱型 3
1.4.1 船型 3
1.4.2 液货舱类型 3
1.4.3 多舱制 3
1.5 液货舱的结构特点 4
1.6 化学品运输和装卸问题 4
1.7 化学品船公约、规则变动 4
1.7.1 货品污染分类的变更 4
1.7.2 扫舱残存量要求的修改 5
1.7.3 排放要求的变化 5
1.7.4 水下排放口的设计要求 5
1.7.5 货舱区双舷侧双层底的设计 6
1.7.6 货舱最大装载量的设计 6
1.7.7 货舱分舱的设计 7
1.8 设计专门的化学品运输船必要性 7
1.9 货油系统配置上的研究 7
1.9.1 单舱深井泵液货系统 7
1.9.2 深井泵舱系统优化 8
1.10 槽形舱壁 8
1.10.1 槽形舱壁简介 8
1.10.2 翼板腹板等厚度 9
1.10.3 载荷及受力 9
1.10.4 槽形舱壁施工要点 10
1.11 船舶强度计算 10
第二章 船体有限元计算 12
2.1 有限元方法简介 12
2.2 船体结构有限元计算方法 13
2.3 MSC软件的介绍 14
2.3.1 实用性 14
2.3.2 用户化技术 14
2.4 有限元分析软件MSC．NASTRAN 14
第三章 有限元模型的建立 16
3.1 船体主尺度资料 16
3.2 参考图纸 16
3.2.1 型线图 16
3.2.2总布置图 17
3.2.3典型横剖面图 17
3.2.4基本结构图 18
3.2.5货舱区槽型横舱壁图 1
3.3 建立有限元模型 20
3.3.1 坐标系 20
3.3.2 结构模型 20
第四章 船体结构强度直接计算 25
4.1 稳性计算书 25
4.2 载荷 25
4.2.1 载荷计算 25
4.3计算工况 28
4.3.1 计算工况弯矩 29
4.4 许用应力衡准 33
4.5边界条件 34
4.6 分析计算结果汇总 34
4.7结果分析 36
4.7.1 详细应力云图 37
结 论 79
致 谢 80
参考文献 81
第一章 绪 论
随着世界经济的发展，化工产品贸易量在逐年增加。在这些化学品运中，化学品船有着越来越重要地位。化学品运输船运输的一般是液体货物，这需要船体有足够的结构强度，以抵抗由液体货物产生的各种压力。与一般的散货船和油船相比，化学品船能满足特殊运输要求，所以在这类船舶的结构特征也有明显差异，化学品船特殊的结构特征，决定了它是一个高科技含量，高附加值船舶。在确保符合安全要求的船体结构强度的前提下，实现结构选材合理，减轻船舶整体结构重量可以降低建造成本，提高船舶营运效率和经济效益。在满足规范设计要求时，快捷高效的有限元法船舶结构强度直接计算发挥着重要作用。
1.1 化学品船的分类
化学品船一般有三种分类方法：
1.1.1 货运方式分类
特种化学品船：用于特殊航线，运输某些物质，如LNG船。
多功能化学油轮：通常有几十个隔离舱，同时运营多种化学物品。
1.1.2 按货舱设计布置不同
整体式：货物作为船体结构的一部分、货舱负载受力与相邻船体结构相同。
独立式：货物不构成船体结构的一部分、船体变形尽量减少对货舱的影响作为标准[2] 。
1.1.3 按转载货物的危险性和污染程度分类
IMOⅠ类型船舶装载的货物对环境和安全的危害十分严重。这种船舶发生碰撞或搁浅仍保持浮力，但不允许泄露出化学物质。该公约要求液货舱、污油舱双层底高和舷侧双壳宽度不小于B/15 或2m，取小值，最小值为1m。
IMOⅡ类型船舶装载的货物对环境和安全的危害相当严重。该类型的船舶要求液货舱、污油舱双层底高度不少于于B/ 15 或2m ,取小值, 且最小值为1m，舷侧双壳宽度不得小于0.5 +DWT/20000或2m取小值，最小值为1m。
IMOⅢ 类型船舶装载货物的环保和安全足够的危险。这种船的要求最低，可以适度维护增加破舱的条件下的生存能力，液货舱距离船体外板的距离没有要求。
这几种分类方法是目前最常用的分类[2]。
1.2 化学品船发展史
1.2.1 世界化学品船发展历史
1949年，美国把T-2型油轮“海上化学品运输”号改造为化学品油轮并投入运行。此后，化学品运输船取得了较快的发展，经历了几代的设计演变，其特点如下：
第一代：通过油轮改造为双层底化学品船，并在船体中设置纵横舱壁及深井泵。
第二代：广泛使用独立分割的液货舱，增加更多的泵和管道系统，广泛采用涂层保护船体和舱壁，防止和降低腐蚀和生锈。
第三代：采用抵抗强腐蚀性货物的涂层，有30%到50%液货
第一章 绪论 1
1.1 化学品船的分类 1
1.1.1 货运方式分类 1
1.1.2 按货舱设计布置不同 1
1.1.3 按转载货物的危险性和污染程度分类 1
1.2 化学品船发展史 2
1.2.1 世界化学品船发展历史 2
1.2.2 国内化学品运输的发展 2
1.3 化学品船发展方向 2
1.3.1 突显“两头大中间小”特点 2
1.3.2 船体大型化 3
1.3.3 延长使用寿命 3
1.3.4 成品油/化学品船 3
1.4 船型和舱型 3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
船发展史 2
1.2.1 世界化学品船发展历史 2
1.2.2 国内化学品运输的发展 2
1.3 化学品船发展方向 2
1.3.1 突显“两头大中间小”特点 2
1.3.2 船体大型化 3
1.3.3 延长使用寿命 3
1.3.4 成品油/化学品船 3
1.4 船型和舱型 3
1.4.1 船型 3
1.4.2 液货舱类型 3
1.4.3 多舱制 3
1.5 液货舱的结构特点 4
1.6 化学品运输和装卸问题 4
1.7 化学品船公约、规则变动 4
1.7.1 货品污染分类的变更 4
1.7.2 扫舱残存量要求的修改 5
1.7.3 排放要求的变化 5
1.7.4 水下排放口的设计要求 5
1.7.5 货舱区双舷侧双层底的设计 6
1.7.6 货舱最大装载量的设计 6
1.7.7 货舱分舱的设计 7
1.8 设计专门的化学品运输船必要性 7
1.9 货油系统配置上的研究 7
1.9.1 单舱深井泵液货系统 7
1.9.2 深井泵舱系统优化 8
1.10 槽形舱壁 8
1.10.1 槽形舱壁简介 8
1.10.2 翼板腹板等厚度 9
1.10.3 载荷及受力 9
1.10.4 槽形舱壁施工要点 10
1.11 船舶强度计算 10
第二章 船体有限元计算 12
2.1 有限元方法简介 12
2.2 船体结构有限元计算方法 13
2.3 MSC软件的介绍 14
2.3.1 实用性 14
2.3.2 用户化技术 14
2.4 有限元分析软件MSC．NASTRAN 14
第三章 有限元模型的建立 16
3.1 船体主尺度资料 16
3.2 参考图纸 16
3.2.1 型线图 16
3.2.2总布置图 17
3.2.3典型横剖面图 17
3.2.4基本结构图 18
3.2.5货舱区槽型横舱壁图 1
3.3 建立有限元模型 20
3.3.1 坐标系 20
3.3.2 结构模型 20
第四章 船体结构强度直接计算 25
4.1 稳性计算书 25
4.2 载荷 25
4.2.1 载荷计算 25
4.3计算工况 28
4.3.1 计算工况弯矩 29
4.4 许用应力衡准 33
4.5边界条件 34
4.6 分析计算结果汇总 34
4.7结果分析 36
4.7.1 详细应力云图 37
结 论 79
致 谢 80
参考文献 81
第一章 绪 论
随着世界经济的发展，化工产品贸易量在逐年增加。在这些化学品运中，化学品船有着越来越重要地位。化学品运输船运输的一般是液体货物，这需要船体有足够的结构强度，以抵抗由液体货物产生的各种压力。与一般的散货船和油船相比，化学品船能满足特殊运输要求，所以在这类船舶的结构特征也有明显差异，化学品船特殊的结构特征，决定了它是一个高科技含量，高附加值船舶。在确保符合安全要求的船体结构强度的前提下，实现结构选材合理，减轻船舶整体结构重量可以降低建造成本，提高船舶营运效率和经济效益。在满足规范设计要求时，快捷高效的有限元法船舶结构强度直接计算发挥着重要作用。
1.1 化学品船的分类
化学品船一般有三种分类方法：
1.1.1 货运方式分类
特种化学品船：用于特殊航线，运输某些物质，如LNG船。
多功能化学油轮：通常有几十个隔离舱，同时运营多种化学物品。
1.1.2 按货舱设计布置不同
整体式：货物作为船体结构的一部分、货舱负载受力与相邻船体结构相同。
独立式：货物不构成船体结构的一部分、船体变形尽量减少对货舱的影响作为标准[2] 。
1.1.3 按转载货物的危险性和污染程度分类
IMOⅠ类型船舶装载的货物对环境和安全的危害十分严重。这种船舶发生碰撞或搁浅仍保持浮力，但不允许泄露出化学物质。该公约要求液货舱、污油舱双层底高和舷侧双壳宽度不小于B/15 或2m，取小值，最小值为1m。
IMOⅡ类型船舶装载的货物对环境和安全的危害相当严重。该类型的船舶要求液货舱、污油舱双层底高度不少于于B/ 15 或2m ,取小值, 且最小值为1m，舷侧双壳宽度不得小于0.5 +DWT/20000或2m取小值，最小值为1m。
IMOⅢ 类型船舶装载货物的环保和安全足够的危险。这种船的要求最低，可以适度维护增加破舱的条件下的生存能力，液货舱距离船体外板的距离没有要求。
这几种分类方法是目前最常用的分类[2]。
1.2 化学品船发展史
1.2.1 世界化学品船发展历史
1949年，美国把T-2型油轮“海上化学品运输”号改造为化学品油轮并投入运行。此后，化学品运输船取得了较快的发展，经历了几代的设计演变，其特点如下：
第一代：通过油轮改造为双层底化学品船，并在船体中设置纵横舱壁及深井泵。
第二代：广泛使用独立分割的液货舱，增加更多的泵和管道系统，广泛采用涂层保护船体和舱壁，防止和降低腐蚀和生锈。
第三代：采用抵抗强腐蚀性货物的涂层，有30%到50%液货
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