利用集中力模拟集装箱载荷进行垂向静水剪力计算的方法与流程

1.本发明涉及一种集装箱船设计技术，特别涉及一种利用集中力模拟集装箱载荷进行垂向静水剪力计算的方法。


背景技术：

2.船舶漂浮于静水中时，由于重力(包括船舶自身重量及装载重量)和浮力沿船长方向分布不均衡引起船体垂向弯曲变形，其横剖面内所产生的垂向剪力和弯矩，分别称为静水剪力(swsf)和静水弯矩(swbm)。
3.solas和船级社规范中对集装箱船的静水剪力模拟没有明确的规定。通常，参照液货和散装货，集装箱船的装载手册计算中把集装箱重量模拟为箱形的均布载荷。napa默认的集装箱载荷计算采用均布力方法。napa中针对集装箱船有个专门的子模块，只需定义集装箱布置位置及重心，集装箱堆垛的排、列、层数，各装载工况下集装箱的尺寸、重量及数量，即可计算出相应工况下集装箱的载荷，并进一步计算得到船体梁静水载荷。
4.但这种模拟方式与集装箱的传力路径并不符合。事实上，舱内或甲板上的集装箱的重量直接通过底座(socket)传递；舱盖及舱盖上的集装箱重量多数通过横向舱口围板传递。因此，集装箱的重量传递多通过集中力载荷而非均布力载荷，两者产生的弯矩差异不大，但产生的局部剪力则差异较大。


技术实现要素：

5.针对现有静水载荷计算中均布力模拟方式与集装箱的传力路径不符合，导致计算偏差的问题，提出了一种利用集中力模拟集装箱载荷进行垂向静水剪力计算的方法，实现集中力模拟，从而在集装箱船装载计算时，获得合理的垂向静水剪力包络值。
6.本发明的技术方案为：一种利用集中力模拟集装箱载荷进行垂向静水剪力计算的方法，在集装箱船设计软件中进行静水剪力计算中，采用集中力模拟集装箱载荷：将舱内集装箱载荷平均分布至前后的集装箱底座处；将舱盖及舱盖上集装箱载荷平均分布至前后的横向舱口围板处。
7.进一步，所述集中力模拟集装箱载荷具体包括如下步骤：
8.1)定义所有可能装载的集装箱位置和重心；
9.2)定义并命名集装箱堆垛的排、列和层数；
10.3)定义各装载工况下的集装箱布置，包括集装箱尺寸、重量及数量；
11.4)将每个舱盖上的集装箱定义为一个整体；
12.5)将舱内集装箱的重量，按每个堆垛分成前后2部分相等的重量，分别作用在前后的集装箱底座处；
13.6)将舱盖及舱盖上集装箱的重量，按每个舱盖分成前后2部分相等的重量，分别作用在前后的横向舱口围板处。
14.进一步，所述舱内集装箱，其载荷作用点与横舱壁上导轨的节点以及内底板上集
装箱底座节点关联。
15.进一步，所述舱盖以及舱盖上的集装箱，其载荷作用点分别与舱口围结构上的支撑块、限位结构和主承力销节点关联。
16.本发明的有益效果在于：本发明利用集中力模拟集装箱载荷进行垂向静水剪力计算的方法，在集装箱船设计阶段，可快速确定涉及swsf包络值的装载工况及包络结果，也能合理解释swsf包络值确定的装载依据，具有较强的实用价值。
附图说明
17.图1为本发明集中力方式进行集装箱载荷模拟流程图；
18.图2为本发明实施例18000teu集装箱船典型装载工况及装载示意图；
19.图3a为本发明lw工况下napa和homer软件的swbm计算分布对比图；
20.图3b为本发明lw工况下napa和homer软件的swsf计算分布对比图；
21.图4a为本发明14tsd工况下的不同集装箱模拟方法下swbm对比图；
22.图4b为本发明14tsae2工况下的不同集装箱模拟方法下swbm对比图；
23.图4c为本发明28tsd工况下的不同集装箱模拟方法下swbm对比图；
24.图4d为本发明28tsae2工况下的不同集装箱模拟方法下swbm对比图；
25.图5a为本发明14tsd工况下的不同集装箱模拟方法下swsf对比图；
26.图5b为本发明14tsae2工况下的不同集装箱模拟方法下swsf对比图；
27.图5c为本发明28tsd工况下的不同集装箱模拟方法下swsf对比图；
28.图5d为本发明28tsae2工况下的不同集装箱模拟方法下swsf对比图。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
30.本发明提供了一种利用集中力模拟集装箱载荷进行垂向静水剪力计算的方法。如图1所示集中力方式进行集装箱载荷模拟流程图，通过集中力的方式进行载荷模拟，具体包括如下步骤：
31.1、定义所有可能装载的集装箱位置和重心；
32.2、定义并命名集装箱堆垛的排、列和层数；
33.3、定义各装载工况下的集装箱布置，包括集装箱尺寸、重量及数量；
34.4、将每个舱盖上的集装箱定义为一个整体；
35.5、将舱内集装箱的重量，按每个堆垛分成前后2部分相等的重量，分别作用在前后的集装箱底座处(底座按实际位置定义)；
36.6、将舱盖及舱盖上集装箱的重量，按每个舱盖分成前后2部分相等的重量，分别作用在前后的横向舱口围板处。
37.为了验证本方法的正确性，针对某型18000teu集装箱船的几个典型装载工况(空船重量工况、均匀装载工况和2bay为空工况)进行两种不同集装箱载荷模拟方法(集中力和均布力)的对比，装载工况及示意图如下所示。其中，装载计算采用napa(包括集中力和均布
力两种方法)，有限元计算采用bv/homer软件(基于集中力方法)。
38.全船的有限元分析被认为是对船体整体结构反应的充分评估，以此作为评估的参考。在集装箱船全船有限元分析中，采用的集装箱载荷模拟方法都为集中力方法，即：针对舱内集装箱，其载荷作用点与横舱壁上导轨的节点以及内底板上集装箱底座节点关联；舱盖以及舱盖上的集装箱，其载荷作用点分别与舱口围结构上的支撑块、限位结构和主承力销节点关联。
39.如图2所示实施例18000teu集装箱船典型装载工况及装载示意图，
40.首先，对比了空船重量(无集装箱)lw工况下，napa和homer的浮态和静水载荷计算结果，结果如表1所示。从对比结果看，两者结果基本一致。如图3a、3b为lw工况下napa和homer软件的swbm和swsf计算分布对比图，两者结果也基本一致。
41.表1
[0042][0043]
针对4种装载工况，在napa中分别采用集中力模拟方法(napa_p)和均布力模拟方法(napa_u)计算swbm和swsf；在homer中基于集中力模拟方法(fem)计算swbm和swsf。
[0044]
不同工况下不同集装箱模拟方法的swbm差异对比结果分别如图4a～4d所示。不同工况下不同集装箱模拟方法导致的swsf差异如图5a～5d所示。
[0045]
根据表2所示18000teu集装箱船不同工况下的swsf结果对比可以得到：
[0046]
针对swsf，集中力模拟的结果普遍大于均布力模拟结果，部分工况的增加幅度约为30％；
[0047]
当采用集中力模拟集装箱载荷时，40呎集装箱的swsf计算结果要大于同等重量的20呎集装箱的swsf计算结果；
[0048]
当采用均布力模拟集装箱载荷时，40呎集装箱的swsf计算结果与同等重量的20呎集装箱的swsf计算结果基本一致；
[0049]
集中力模拟集装箱载荷引起的swsf更接近有限元中swsf计算结果。
[0050]
表2
[0051][0052][0053]
本发明采用集中力模拟集装箱载荷(其中，舱内集装箱载荷平均分布至前后的集
装箱底座处；舱盖及舱盖上集装箱载荷平均分布至前后的横向舱口围板处),引起的swsf与有限元中swsf计算结果较为接近，也更符合实际集装箱船装载时的swsf分布。
[0054]
当采用集中力模拟集装箱载荷时，40呎集装箱的swsf计算结果要大于同等重量的20呎集装箱的swsf计算结果；垂向静水剪力包络值可基于40呎集装箱的装载计算，可包络20呎集装箱的各装载工况计算结果。
[0055]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。