﻿ 平顶型内置式耐压液舱力学性能分析与设计
 舰船科学技术  2023, Vol. 45 Issue (23): 19-23    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2023.23.004 PDF

Analysis and design of mechanical properties of flat-topped and inner pressure tank
WANG Wen, HAO Ning, ZHANG Zhao-long
Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China
Abstract: Finite element method was used to study the stress distribution characteristics and stability of flat-topped built-in pressure tank and pressure hull under different working conditions. The structure of the pressure tank was improved. The results show when the inside and outside of the pressure tank are connected, the stress levels of each structure are higher. High stress mainly occurs in the pressure tank area. The structural stability of pressurized tank is higher than that of non-pressurized tank. The high stress problem of tank structure is improved by increasing the plate thickness and increasing the longitudinal structure. The results of these study can provide references for the design of flat-topped and inner pressure tank.
Key words: pressure tank     finite element analysis     structural strength     stability
0 引　言

1 计算模型和载荷工况 1.1 计算模型

 图 1 耐压船体和液舱几何模型 Fig. 1 Geometric model of pressure hull and tank

1.2 载荷工况

 图 2 不同工况载荷施加 Fig. 2 Application of loads under different working conditions

1）载荷1

2）载荷2

2 计算结果与分析 2.1 强度计算结果与分析

1）对于最大周向应力，对比载荷1和载荷2所对应的工况，最大值出现在载荷1工况下，耐压壳内表面周向应力最大，为717 MPa，出现在液舱区的耐压壳结构；2种载荷工况下，耐压壳的中面周向应力和外表面周向应力相差较小，因为中面周向应力和外表面周向应力的最大值出现在非液舱区的耐压壳处，此处离液舱区最远，受液舱区载荷分布的影响较小。另一方面同时也说明，出现在液舱区的耐压壳内表面周向应力会因为液舱区载荷分布不同而受到较大影响。外表面周向应力如图3所示。

 图 3 耐压壳外表面周向应力云图 Fig. 3 Circumferential stress nephogram of outer surface of pressure shell

2）对于耐压壳的最大纵向应力，在同一载荷工况下，最大值均出现在内表面，载荷1和载荷2工况下的耐压壳内表面纵向应力分别为851 MPa和982 MPa。另外，载荷2工况下的纵向应力均大于载荷1工况所对应的纵向应力，由于两工况下各作用面的最大纵向应力均出现在液舱区的耐压壳处，此处耐压壳受2种载荷工况影响较大，使得应力值差异较大。载荷2表面纵向应力如图4所示。

 图 4 载荷2耐压壳内表面纵向应力云图 Fig. 4 Nephogram of longitudinal stress on inner surface of load 2 pressure shell

3）相对于载荷1所处的工况，垂直桁中面的剪应力和Mises应力在载荷2工况下都有显著增加，分别达到548 MPa和1 114 MPa。由图1可知，液舱内部有端部横壁和实肋板2种主要的横向加强构件，而且两者几乎完全覆盖耐压液舱的横截面，但是沿船长方向却没有大型的纵向强构件，加之在载荷2工况下，液舱顶盖板和端部横壁均受到6 MPa的静水压力，与两者直接相连接的垂直桁受到较大影响，在垂直桁开孔处附近应力值过大。载荷2工况下的垂直桁中面Mises应力如图5所示。

 图 5 载荷2垂直桁中面Mises应力云图 Fig. 5 Mises stress nebulogram at the middle surface of the load 2 vertical girder

4)对于液舱顶盖板的最大主应力，载荷1工况下各作用面应力值相差不大，载荷2工况下各作用面应力值相差较大，且明显高于载荷1工况下相对应的应力值，特别是液舱顶盖板中心表面最大主应力和液舱顶盖板纵骨根部最大主应力，分别达到907 MPa和894 MPa。在载荷2工况条件下，液舱顶盖板直接受到6 MPa的静水压力，使得液舱顶盖板主应力明显增加。同时，与液舱顶盖板垂直相连的端部横壁（见图1）亦受到6 MPa的静水压力，由于板架间的相互作用，使得液舱顶盖板受到作用在端部横壁上的压力的影响。另外，液舱顶盖板单个板格过大也会使主应力增加，例如载荷2工况下板格中心表面最大主应力如图6所示。

 图 6 载荷2 板格中心表面最大主应力云图 Fig. 6 Nephogram of the maximum principal stress on the central surface of the plate under load 2
2.2 稳定性计算结果与分析

 图 7 耐压壳一阶局部失稳图 Fig. 7 First order local instability diagram of pressure casing
3 改进设计

 图 8 结构改进图 Fig. 8 Structure improvement diagram

4 结　语

1）2种载荷工况下，非液舱区耐压壳的周向应力相当，但是载荷2工况下液舱区耐压壳的纵向应力明显更大，且已经处于较危险的状态。总体来说，由于载荷2工况下液舱顶盖板和端部横壁直接受到静水压力作用，液舱内部结构受到载荷作用明显，因此载荷2是更加危险的工况，在进一步设计中需要着重关注。

2）在载荷1工况下计算耐压液舱稳定性，在计算阶数设置范围内，耐压液舱区域均未出现失稳，只有非液舱区耐压船体壳板存在局部失稳。由于耐压液舱的存在，提高了液舱区耐压船体壳板的稳定性，故在正常设计参数下液舱区耐压船体壳板可不检查其壳板稳定性。

3）增加与端部横壁相连接的耐压壳局部厚度，增设中纵舱壁，可以有效降低高应力区域应力的水平。

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