■事業の内容
(1) 構造強度についての調査研究
[1] 構造解析による船体構造の挙動及び応力の研究
a. 大型モデルの構造解析
二重船殻中型タンカーの構造強度に対しては、船側タンク幅及び形状、二重底高さ、センター隔壁または制水隔壁の有無等の構造上の相違がかなり影響し、特に、船側タンク幅及び二重底高さは主要部材の変形等に大きく影響を及ぼす。
そこで、昨年度においては、主要部材の変形への影響度を構造解析により調査するために、D.W90〜100千トン程度の船型を対象に主要目及びタンク配置を調査し、船側タンク幅及び形状等を変化させた数種類の船体構造について調査研究を行い、原型を含め3船型(タイプ-1〜タイプ-3と呼ぶ)の構造モデルを選定した。また、二重船殻構造タンカーと従来の単底構造タンカーとの間で構造解析による挙動の相違を比較する目的で、供試船と同程度クラスの単底構造タンカーの構造様式の調査を行った。
また、選定された供試船(タイプ-1及びタイプ-3)の船体構造を有限要素法(FEM)により構造解析を行い、異なる幅及び形状の船側タンク構造の外圧、内圧による荷重下における横隔壁を含めた部材の変形と応力の関係、及び主要部材の変形が各部材に与える付加応力の影響について調査を行った。
本年度は、バリエーション船型の残り1船型(タイプ‐2)と従来の単底構造タンカー1船型について、昨年度と同一手法を用い、タンク構造を三次元板モデルとしてFEMによる構造解析を実施し、昨年度に実施した構造解析結果と合せて、二重船殻中型タンカーの船側タンク幅及び二重底高さの相違に基づく主要部材の変形や応力の変化について調査を行った。また、従来の単底構造タンカーとの比較検討も行った。
b. 二次部材の構造解析
主要部材の変形による二次部材(ロンジ等)への影響について調査するために、当該個所をズーミング手法を用いて解析を行った。
昨年度は2船型(タイプ-1及びタイプ-3)について行ったので、本年度はバリエーション船型の残り1船型(タイプ-2)と従来の単底構造タンカー1船型について、二重船殻中型タンカーの船側タンク幅及び二重底高さの相違に基づく二次部材の変形や応力の変化について調査を行った。また、従来の単底構造タンカーとの比較検討も行った。
c. 損傷例の調査
既に就航した他船型の船殻構造の中には、二重船殻中型タンカーと類似の形状を有するものや同様の荷重条件の構造要素もあり、これら実績船の中型タンカー及びそれと類似の形状を有するバルクキャリア等に発生した損傷の調査を行った。
(2) スロッシング荷重の調査研究
[1] 荷油タンクの形状及びタンク内部構造様式の調査研究
スロッシングが原因と考えられる損傷例の調査を発表文献及びアンケートにより行った。
調査内容は主に「損傷状況調査」とした。
[2] 理論計算によるスロッシング荷重の研究
前年度は、スロッシング理論解析法について、境界要素法、FEM、差分法等の解析手法の差異を調査研究し、差分法の採用を決定した。更に、差分法の解析コードとして、MAC法とSMAC法を基礎とした解析コードと、ソーラサーフを基礎とした解析コードの2種の解析コードについて実際にアルゴリズムを開発し、比較的簡単なモデルについて両者を用いて数値解析を実施し、比較検討を行った。その結果、両者は精度に差はないが、計算時間の点でソーラサーフが優位であることが判明し、解析コードとしてソーラサーフを用いることとした。続いて、流体内にある底部内構材、加振周波数、タンク頂板、傾斜壁のそれぞれの影響の基礎調査の目的で、基本的アルゴリズムを開発し簡単な試計算を行った。
本年度は、これらの研究を深化させ、傾斜壁、天板を取り扱うアルゴリズムの改良に加え、実際のタンクに適用できるように、流体運動の過程で流体から突出したり、没水したりする横隔壁付水平ガーダー、上甲板付デッキガーダーを考慮できるアルゴリズムを開発した。
このスロッシング解析コードを用いて、模型実験に使用されたタンクの中から、5モデルを選定して2次元タンク内流体のシリーズ数値計算約100ケースを実施し、スロッシング現象に対するタンク形状の影響、内構材の影響、連成運動の影響等を調査・考察した。
[3] スロッシング模型実験
二重船殻中型タンカー固有の形状及び寸法の荷油タンクについて、スロッシング荷重の精度良い推定法を見い出すために、本年度は二次元運動を対象とし、選定モデル(供試船D船)の1/31縮尺模型7体及び上下揺・左右揺・水平揺・横揺を単独あるいは任意の組合わせで与えることができる実験装置を製作し、スロッシング圧の基本データ(圧力応答関数)の収集、船側上下コーナー形状・中心線桁・横隔壁付水平桁の影響の調査及び数値解析結果の検証を目的としてスロッシング実験を行った。
実験は、上下・水平・横揺の連成運動(波との出会い角90°、135°)及び上下・縦揺の連成運動(波との出会い角135°、180°)を考慮し、それぞれのケースにつき波長/船長比1.0のとき及びタンク動揺周期とタンク固有周期との比が1.0となるときの波長/船長比の値をとった336ケースについて動揺角、変位、壁面の圧力、内構材の荷重及び水面の変位を計測した。
なお、計測システムとしては、鋭い衝撃圧のピークを捉え、かつ時系列データをも計測できるピーク/ボトムホールド装置をA/D変換器の前段に設置する方法を採用した。
■事業の成果
二重船殻構造の中型タンカーは従来の単底構造の中型タンカーに比べ船側タンク幅が狭くなり、その分中央タンク幅が大きくなる結果、船体が柔構造となり特に二重船側部及び中央タンク横隔壁の剛性が低下し、変形に起因する大きな付加応力が各部材に発生すると予想される。
また中央タンクは幅広で、平滑なタンク内面となり、スロッシング荷重も大きくなると予想される。
本研究は中型の二重船殻構造タンカーを供試船とし船側タンクの幅及び形状が変化した場合の各部材の荷重下での挙動を解明し、変形が部材に与える付加応力の影響度とタンク形状及び内部構造部材配置の相違によるスロッシング荷重の変化を調査し、合理的な船体構造設計と精度の良いスロッシング荷重の推定を可能とするための基礎技術を確立する事を目的とする3年計画の2年目の研究であり、構造強度についての調査研究については、中型の二重船殻構造タンカー2船型に対してFEM構造解析を実施した結果、次の点が明らかとなった。
1. 二重底高さを小さくすると、二重底の剛性が低下して二重底の変形が大きくなるだけでなく、その影響は隔壁及び船側の変形にまで及び、それらの個所の変形も大きくなる。
2. 船側タンク幅の変化も二重底や隔壁の変形に影響するが、それは船側に近い範囲に限られる。
3. 主要部材の応力は、上記1〜2にあげた変形の特性に関連して、二重底高さ及び船側タンク幅を変えたときの影響が現われた。
主要部材の寸法を一部変化させたときの効果は、構造の広い範囲の応力に現われるのではなく、寸法を変化させた個所近傍の応力のみに現われる。
4. 主要部材の変形に起因した二次部材の付加応力が、二重底高さや船側タンク幅を変えたときに見られた。
5. 二重船殻構造タンカー及び従来構造タンカーともに、局部荷重による応力はロンジ等の二次部材に付いているスチフナ及びブラケットのヒール部で大きくなり、変形に起因した付加応力はトウ部で大きくなる傾向がある。
一方、スロッシング荷重の調査研究については、スロッシングに対するシリーズ数値計算の結果、
1. ホッパーの有無は、流体のマクロな流動への影響は小さい。ショルダータンクの存在により衝撃圧発生個所が変化し、ショルダータンク付け根部で衝撃圧が発生する。
2. 没水状態の中心線桁板は、液深30%で左右揺加振のときスロッシング運動の抑止効果が大きく、自由表面に近い船底桁上端の近傍に発生する渦の影響により自由表面の波形が大きく変わっている。
3. 横隔壁付水平桁のスロッシング運動の抑止効果は船底と比較して、小さい傾向が確認された。
4. 差分法の計算条件(メッシュサイズ、時間きざみ幅)が、結果へ与える影響は無視できない。
また、模型実験の結果から、
1. 水平揺の同調周期は液位が高い状態では、矩形タンクの理論周期よりやや長く、液位が低い場合にはやや短くなる傾向を示す。
2. スロッシング現象に対する中心線桁板や横隔壁付水平桁等の内構材の影響が明らかになった。
3. 縦揺の実験では、横隔壁付水平桁の影響を調べたが、天板の衝撃圧は余り大きくなく、同調時には水平桁の有無に関係なくほとんど同じ位の衝撃圧を生じている。
以上述べたように、数値シミュレーション結果は、実験結果と良好な一致を示し、少なくとも定性的には数値解析によるスロッシング圧力推定の可性を示唆している。
今年度得られた成果はそのまま設計に役立つものであるが、更に問題点を解明することにより、海洋環境保護対策として要請されているタンカー設計の改善に役立つ有益な成果が得られるものと期待される。
|
|
