礦砂船船體結構強度直接計算指南

(2016)

中國船級社

2016.3

編寫說明

為適應工業界對大型礦砂船的開發和設計的需要，配合國家開展大型礦砂船

船型開發研究的計劃，由原國防科工委立項，經造船工程學會委托，中國船級社

在2009年基于我社《鋼質海船入級規范》、《雙舷側散貨船結構強度直接計算指

南》、《油船結構直接計算分析指南》、《船體結構疲勞強度指南》等規范及指南的

基礎上研究編寫了大型礦砂船結構強度直接計算指導性文件。根據多型礦砂船的

審圖、入級反饋，我社重新修訂了該指導性文件，于2014年頒布了《礦砂船船

體結構強度直接計算指南（2014）》。

隨著礦砂船船型越來越大型化，對強度評估提出了更加全面、更加先進的要

求，因此在2014版指南的基礎上，對艙段直接計算的評估范圍擴展到整個貨艙

區和機艙區域、載荷與工況、模型邊界與載荷調整、屈曲評估方法、疲勞強度分

析方法、礦砂含水對結構強度的影響和整船有限元等要求，結合CSR規范和GBS

研究成果進行了適用性研究和實船驗證，根據研究結果升級形成2016版指南。

本指南的主要內容包括：

1）規定了指南的適用范圍、船型定義、符號；

2）規定了波浪載荷和計算工況；

3）艙段直接計算的建模要求、分析范圍、船體梁調整和許用衡準；

4）細化網格詳細應力評估的部位、建模要求和許用衡準；

5）屈曲強度評估板格定義、屬性定義、屈曲能力和強度衡準

6）整船直接計算的建模要求、工況定義、載荷計算及應力衡準；

7）機艙艙段直接計算的建模、載荷、船體梁調整和許用衡準；

8）含水礦砂要求的艙段直接計算補充要求。

9）礦砂船船體結構疲勞強度評估補充要求。

目錄

第1章總則..................................................................1

1.1一般規定.............................................................1

1.2定義.................................................................2

1.3構件尺寸.............................................................5

第2章載荷工況.............................................................6

2.1一般要求.............................................................6

2.2動教荷工況...........................................................6

2.3船舶運動和加速度....................................................14

2.4船體梁載荷..........................................................18

2.5外部載荷............................................................24

2.6內部載荷............................................................39

2.7裝載工況............................................................47

第3章貨艙區域直接強度分析.................................................56

3.1一般要求............................................................56

3.2結構建模............................................................57

3.3有限元載荷組合......................................................63

3.4分析衡準............................................................81

3.5局部結構強度分析....................................................85

第4章屈曲強度評估.........................................................87

4.1一般要求............................................................87

4.2板格類型............................................................90

4.3屈曲能力...........................................................100

4.4強度衡準...........................................................121

附錄A基于應力的參考應力................................................124

A.1.1一般規定..........................................................124

A.1.2基于應力的方法...................................................124

A.1.3參考應力..........................................................125

附錄B板格的屈曲因子和折減因子...........................................128

B.1.1符號說明..........................................................128

B.1.2平面板格.........................................................128

B.1.3曲面板格.........................................................128

第5章整船有限元強度評估.................................................141

5.1一般規定............................................................141

5.2模型要求............................................................142

5.3水動力載荷計算......................................................143

5.4整船載荷施加與慣性平衡..............................................148

5.5強度評估衡準........................................................150

附錄1...........................................................................................................................................151

機艙結構強度直接計算........................................................151

1.1一般要求...........................................................151

1.2結構建模...........................................................151

1.3載荷...............................................................152

附錄2.............................................................................................................................................156

裝載含水礦砂時艙段有限元計算要求...........................................156

2.1一般規定.........................................................156

2.2液化礦砂的載荷與計算工況.........................................156

2.3有限元模型.......................................................157

2.4評估區域與衡準...................................................158

2.5屈曲強度評估.....................................................158

附錄3.............................................................................................................................................159

礦砂船船體結構疲勞強度評估要求.............................................159

3.1一般規定..........................................................159

3.2工況與載荷........................................................159

3.3簡化應力分析......................................................160

3.4有限元熱點應力分析................................................160

第1章總則

1.1一般規定

1.1.1本指南適用于船長150米及以上，整個貨艙區域內通常建有單甲板、兩道縱向艙

壁和雙層底、僅有中間貨艙主要用于運輸礦砂貨物的無限航區、自航式礦砂船船體結構強度

直接計算評估。礦砂船典型橫剖面圖見1.11。

1.1.2本指南給出了礦砂船貨艙區域和機艙區域主要構件的強度評估要求，艙段屈服強

度、細化強度、屈曲強度、整船的強度評估方法和含水礦砂的艙段補充要求。

1.1.3貨艙區域船體主要結構疲勞強度評估本指南附錄3的相關要求。船長250m及以

上的礦砂船，按CCS《波激振動和砰擊顫振對船體結構疲勞強度影響計算指南》要求應特

殊考慮波激振動對船體結構疲勞強度的影響。

1.1.4直接計算可采用適用的通用程序，如使用非通用程序時，送審單位還應提供所采

用的計算機程序可靠性說明的文件。

1.1.5應將直接計算技術文件提交CCS,供相關圖紙審核時參考。直接計算技術文件應

包括：

(1)所使用的圖紙清單；

(2)結構有限元模型的詳細描述；

(3)結構模型和相關屬性圖形；

(4)所使用的材料特性詳細情況；

(5)邊界條件的詳細描述；

(6)所施加的載荷的詳細情況；

(7)描述與載荷有關的結構模型的響應的圖形和結果；

1

(8)總體和局部變形的歸納與圖形；

(9)描述所有構件的vonMises應力，各方向應力和剪應力不超過強度標準的匯總和

詳圖；

(10)板格的屈曲分析和結果；

(11)顯示滿足或不滿足強度標準的結果表格輸出；

(12)必要時，對結構的建議修改方案，包括修改后的應力評估和屈曲特性。

1.2定義

1.2.1單位制定義

質量：噸(t)；

長度：米(m)；

時間：秒(s)；

力：牛頓(N)或千牛頓(kN)；

應力：牛頓/毫米2(N/mm2)；

壓力:千牛/米2(kN/m2)?

1.2.2符號規定

L——規范船長，m；與CCS《鋼質海船入級規范》(以下簡稱《鋼規》)第2篇第1章

第1節的定義相同；

B——型寬，m：與《鋼規》第2篇第1章第1節的定義相同；

D—型深，m；與《鋼規》第2篇第1章第1節的定義相同；

T—吃水，m；與《鋼規》第2篇第1章第1節的定義相同；

CB一方形系數；與《鋼規》第2篇第1章第1節的定義相同；

V一船舶按其設計在營運中以最深航行吃水、螺旋槳最大轉速(RPM)和發動機的響

應最大持續功率(MCR)所保持的最大航速，，kn；

g---重力加速度，g=9.81m/s-；

心＞一波浪系數,按下式計算：

1.5

300

L

Cw.75,對于90L300的船舶

10

100

C,對于300L350的船舶

10.75

2

1.5

-35Q

c?.10.75,對于350L500的船舶

L

15《

——海水密度，=1.025t/m3；

e----VonMises應力（N/mmQ

），0=2

）,史=*

ooo3T

222

yxyxy

d----單元x方向的應力（N/mm

2）;

（7y----單元y方向的應力（N/mm

2）;

為一單元xy平面的剪應力

2）;

at----船體梁縱向的應力（N/mm

2）；

aa----梁單元軸向應力（N/mm

2）；

叫,---船體梁橫向或垂向的應力（N/mm—

2）；

工一腹板總深度的平均剪應力（N/mn?）；

K—材料系數，見《鋼規》第2篇第1章第3節；

E——材料彈性模量。對鋼材，￡-2.06xl05N/mm2；

v——材料泊松比。對鋼材，v=0.3；

TLC：所考慮載荷工況的船中處的吃水，m。

fr.某一裝載條件下吃水與結構吃水的比，取為：

T

f，但不小于0.5。

LC

TT

SC

fp:設計載荷設定所對應的強度評估系數，取為：

fP=1.0,對于航行工況設計載荷設定

fP=0.4,對于在港/遮蔽水域設計載荷設定

R：船舶搖擺運動中心的垂向坐標，m,取為：

DD

2

Rmin

LC

42

1.2.3船舶的幾何尺寸、運動、加速度和載荷系根據下列右向坐標系統，見圖1.221。

(1)原點：船舶對稱縱剖面、規范船長L尾端和基線的相交處；

(2)X軸：縱向軸，向前為正；

(3)丫軸：橫向軸，向左為正；

3

(4)Z軸：垂向軸，向上為正。

圖1.2.2.1參照坐標系

1.2.4船舶運動規定如下，見圖122.2。

(1)縱蕩(surge)為沿x軸正向的平動，向前為正；

(2)橫蕩(sway)為沿y軸正向的平動，向左舷為正；

(3)垂蕩(heave)為沿z軸正向的平動，向上為正；

(4)橫搖(roll)是對通過重心的縱軸的正向旋轉，右舷向下，左舷向上為正；

(5)縱搖(pitch)是對通過重心的橫軸的正向旋轉，腦向下，解向上為正；

(6)艄搖(yaw)是對通過重心的垂向軸的正向旋轉，艄向左舷，艇向右舷為正。

垂蕩

4

(1)垂向彎矩Msw和Mwv在強力甲板產生拉應力(中拱彎矩)時為正，在底部

產生拉應力(中垂彎矩)時為負。

(2)垂向剪力Qsw和Qwv在所考慮的橫剖面之后作用的合力向下或在所考慮的橫

剖面之前作用的合力向上時為正。

(3)水平彎矩Mwh在右舷產生拉伸應力時為正，在左舷產生拉伸應力時為負。

(4)扭矩Mwt在所考慮的橫剖面之后合力矩沿繞x軸的負方向或在橫剖面之前合

力矩沿x軸的正方向時為正。

圖1.2.2.3船體梁載荷符號約定

1.3構件尺寸

1.3.1除另有規定外，本指南直接計算中的構件指的是建造厚度，不考慮船東附加厚度。

5

第2章載荷工況

2.1一般要求

2.1.1本章給出了用于礦砂船直接強度評估的設計載荷與裝載工況。

2.1.2強度評估指的是對載荷對應于IO'概率水平的強度衡準。

2.1.3強度評估的每一個設計載荷設定由一個靜載荷工況(S)或者一個靜+動載荷工況

(S+D)組成，這里靜載荷和動載荷基于所考慮的載荷工況。

2.1.4載荷工況各載荷參數計算按以下要求進行：

(1)動載荷工況定義在本章2.2；

(2)船體運動與加速度在本章2.3；

(3)船體梁載荷在本章2.4；

(4)外部載荷在本章2.5；

(5)內部載荷在本章2.6；

(6)裝載工況在本章2.7。

2.2動載荷工況

2.2.1以下等效設計波用于生成結構強度評估的動載荷工況。

2.2.1.1HSM載荷工況：

HSM-1和HSM-2：分別為垂向波浪彎矩在船中處最小和最大的迎浪等效設計波。

2.2.1.2HSA載荷工況：

HSA-1和HSA-2：分別為垂向加速度在腦部最大和最小的迎浪等效設計波。

2.2.1.3FSM載荷工況：

FSM-1和FSM-2：分別為垂向波浪彎矩在船中處最小和最大的隨浪等效設計波。

2.2.1.4BSR載荷工況：

BSR-1P和BSR-2P：分別為波浪從左舷過來時橫搖運動最小(此時左舷向下)和橫搖

運動最大(此時左舷向上)的橫浪等效設計波。

BSR-IS和BSR-2S：分別為波浪從右舷過來時橫搖運動最大(此時右舷向下)和橫搖

運動最小(此時右舷向上)的橫浪等效設計波。

6

2.2.1.5BSP載荷工況：

BSP-IP和BSP-2P：分別為左舷船中水線處水動壓力最大和最小的橫浪等效設計波。

BSP-1S和BSP-2S：分別為右舷船中水線處水動壓力最大和最小的橫浪等效設計波。

2.2.1.6OST載荷工況：

0ST-1P和0ST-2P：分別為波浪從左舷過來時距船尾0.25L處扭矩最小和最大時的斜浪

等效設計波。

0ST-1S和0ST-2S：分別為波浪從右舷過來時距船尾0.25L處扭矩最大和最小時的斜浪

等效設計波。

2.2.1.7OSA載荷工況：

0SA-1P和OSA-2P：分別為波浪從左舷過來時縱搖加速度最小和最大時的斜浪等效設

計波。

0SA-1S和0SA-2S：分別為波浪從右舷過來時縱搖加速度最大和最小時的斜浪等效設

計波。

注1：1和2對應每一個等效設計波最大或最小的主導載荷分量。

注2：P和S分別對應于上風舷為左舷和右舷。

2.2.2每一個動載荷工況的船舶響應和總體載荷見表2.2.2.1~2.2.2.3。

強度評估中用于HSM、HSA和FSM載荷工況的船舶響應表222.1

載荷工況HSM-1HSM-2HSA-1HSA-2FSM-1FSM-2

等效設計波HSMHSAFSM

浪向迎浪迎浪隨浪

作用垂向彎矩最大垂向加速度最大垂向彎矩最大

垂向波浪彎矩中垂中拱中垂中拱中垂中拱

負-后部正-后部負-后部正-后部負-后部正?后部

垂向波浪剪力

正-前部負-前部正-前部負-前部正-前部負-前部

水平波浪彎矩------

波浪扭矩------

縱蕩向解向艄向服向躺向艄向舵

縱蕩加速度

1111

橫蕩------

橫蕩加速度------

垂蕩向下向上向下向上--

7

□□□

垂蕩加速度--

橫搖------

橫搖加速度------

縱搖艄向下艄向上艄向下艄向上艄向上艄向下

縱搖加速度

8

強度評估中用于BSR和BSP載荷工況的船舶響應表2.2.2.1

載荷工況BSR-IPBSR-2PBSR-ISBSR-2SBSP-IPBSP-2PBSP-1SBSP-2S

等效設計波BSRBSRBSPBSP

浪向橫浪橫浪

作用橫搖最大水線處壓力最大

垂向波浪彎矩中垂中拱中垂中拱中垂中拱中垂中拱

負-后部正-后部負-后部正-后部負-后部正-后部負-后部正-后部

正-前部負-前部正-前部負-前部正-前部負-前部正-前部負-前部

水平波浪彎矩右舷受拉左舷受拉左舷受拉右舷受拉右舷受拉左舷受拉左舷受拉右舷受拉

波浪扭矩--------

縱蕩--------

縱蕩加速度--------

橫蕩向右舷向左舷向左舷向右舷向右舷向左舷向左舷向右舷

橫蕩加速度際-1.sV\\S—?L.SL.STW.SL.S<-W.SU\S-?L.SG噴<—i..sL.S<—W.SL.SfW.S

垂蕩向下向上向下向上向下向上向下向上

o'tL.S

垂蕩加速度VCSTL.sW^S1L.SL.STW.SL.S*U.SVVSJL.fL.STW.SL.S?\\\s

橫搖左舷向下左舷向上右舷向下右舷向上左舷向下左舷向上右舷向下右舷向上

橫搖加速度；^r^L.s

縱搖---艄向下艄向上艄向下艄向上

^7

縱搖加速度----

9

強度評估中用于OST和OSA載荷工況的船舶響應表2.2.23

載荷工況OST-1POST-2POST-1SOST-2SOSA-1POSA-2POSA-1SOSA-2S

等效設計波OSTOSA

浪向斜浪斜浪

作用扭矩最大縱搖加速度最大

垂向波浪彎矩中垂中拱中垂中拱中拱中垂中拱中垂

如后部止-后部如后部止-后部止-后部負-后部止-后部負-后部

垂向波浪剪力

正-前部負-前部正-前部負-前部負-前部正-前部負-前部正-前部

水平波浪彎矩左舷受拉右舷受拉右舷受拉左舷受拉右舷受拉左舷受拉左舷受拉右舷受拉

波浪扭矩hhhhh

縱蕩向脂向服向腦向舵向腦向服向腦向服

縱蕩加速度

CTTd------7CT-1------7f/L1/S._ft

橫蕩--而左舷向若舷而看舷向五舷

----

橫蕩加速度

fLSLSLS+LSf

垂蕩向下向上向下向上向上向下向上向下

垂蕩加速度,L3^3，LSLS，wX港，LSLS，忘

US，W3LS?

橫搖左舷向卜左舷向上右舷向卜右舷向上左舷問卜左舷向上右舷問卜右舷向上

橫搖加速度W^S^^JLS

縱搖艄向上艄向卜艄向上「首1可卜艄向上艄向卜艄向上腦向卜

縱搖加速度

10

2.2.3等效設計波的載荷組合系數LCF,即總體載荷及慣性載荷分量的載荷組合系數定

義見表2.2.3.1~表223.3。

強度評估中用于HSM、HSA和FSM載荷工況的載荷組合系數表2.2.3.1

載荷組合LCFHSM-1HSM-2HSA-1HSA-2FSM-1FSM-2

^wvCwv-11-0.70.7-0.M-0.6O.4/7+O.6

QW0.6f|

船體梁QwvC-L%LQ4-0.6fipP一.%i.o"

載荷

M\VHCwH000000

CWT000000

^surgeCxs0.3-0.羽0.圻0.30.2-0.20.2-0.4fr0.4/r0.2

縱向加

^pitch-xCXP-0.70.7-0.4/r-0.4O.4/7-+0.40.15-0.15

速度

gsincpCXG0.6-0.60.4/i+0.4-0.4A-0.4-0.20.2

^swayCys000000

橫向加

CYR000000

速度

gsinGCYG000000

CzH

aheave0.5/i-0.150.15-0.切0.4/r0.10.I-0.4/i00

垂向加

uroll-zLZR000uUu

速度

ClpiickCZP-0.70.7-O.4/7-O.40.4/7+0.40.15-0.15

強度評估中用于BSR和BSP載荷工況的載荷組合系數表2.232

載荷組合L￡FBSR-IPBSR-2PBSR-1SBSR-2s

八八r/八八”八r/八

C1nJn11-1

JWVI*.1U.z^y,U.1U.1V.1

f(0.2f-0A)f(01-0f(o.y-o.])f

船體梁{nTllt一”lpTlp

載荷

C\VH1.2-1.1/r1gl.2121.1萬

MvrC\VT0000

asurgeCxsUUuu

縱向加

cn

^pitch-xLXPnnn

速度

gsinipCXG0000

n1,B

怏1“川~YSu.z^u.z/TU.Z/7U.2

II

速度a

c1i

JYR

1111

g5inO=YG

n.7.n旺丁n4/L.n707.nAfn4/^n7

“,肥uv?。T

垂向加

Clroll--CzR1-11-1

速度

---------------CzB--------0000

載荷組合LCFBSP-IPBSP-2PBSP-ISBSP-2S

MHVCwv0.3-0.8/r0.8濟0.30.3-0.8/r0.8/T-0.3

船體梁QxwCQW(0.3-0.8/r)^(0.盼0.3)為(0.3-0.8/T)4，(0.8/r0.3)4

載荷

A4一.-_-

5MHU./U.iji'U./JyU./U.///U./v./~v.//y

oooQ

iYiW1LW1

nCv^nnn0

縱向加

pitch-rCXP0.1-0.3分0.3/T-0.10.3/r-0.10.1-0.3分

速度

gsin(pCvn0.3方-0.10.1-0.3/To.3/y-o.i0.1-0.3分

acu.'z>v*CYC-0.90.90.9-0.9

橫向加

^roll-yCYR0.3-0.3-0.30.3

速度

gsinOCYG-0.20.20.2-0.2

aheaveCzH1-11-1

垂向加

^roll-zCzR0.3-0.3-0.30.3

速度

^pitch-zCZP0.1-0.3/?0.3/r0.10.1-0.3/^0.圻0.1

強度評估中用于OST和OSA載荷工況的載荷組合系數表2.2.33

載荷組合LCFOST-IP0ST-2POST-ISOST-2S

MwvCwv-0.3-0.紡0.3+0.步-03-0.2fT0.3+0.第

船體梁QwvCQW(-0.35-0訓，(0.35+0.紡施(-0.35-0.p(0.35+0.紡防

載荷

MWHC\VH-0.90.90.9-0.9

M\VTCWT-fln-OSTfiD-OSTflp-OST-flD-OST

縱向加asurgeCxs0go.150.15-0.防0.歷-0