1 500 DWT散裝水泥躉船全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元計(jì)算研究

盧永全， 徐得志， 任晉宇

(武漢交通職業(yè)學(xué)院， 湖北 武漢 430065)

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1 500 DWT散裝水泥躉船全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元計(jì)算研究

盧永全， 徐得志， 任晉宇

(武漢交通職業(yè)學(xué)院， 湖北 武漢 430065)

摘要該文首先依據(jù)原1 700 dwt駁船的結(jié)構(gòu)形式，按照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范(2012)》的要求，重新設(shè)計(jì)改造成1 500 dwt散裝水泥轉(zhuǎn)運(yùn)躉船并確定各構(gòu)件的尺寸。然后使用MSC.Patran軟件建立全船有限元模型，按照新設(shè)計(jì)的尺寸賦單元屬性，按照不同工況下載荷組合不利的原則施加載荷，使用MSC.Nastran軟件進(jìn)行屈服強(qiáng)度分析，計(jì)算得到了該船典型工況下的應(yīng)力分布及變形響應(yīng)情況。結(jié)果表明，采用全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算的方法是可行、可靠的。

關(guān)鍵詞1 500 dwt散裝水泥躉船有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

The Finite Element Calculation on Structural Strength of 1 500 DWT Bulk Cement Carrier

LU Yong-quan, XU De-zhi, REN Jin-yu

(Wuhan Technical College of Communications, Wuhan Hubei 430065, China)

AbstractIn accordance with Rules for Construction of Inland Steel Ships 2012, the 1 700 dwt barge is redesigned and transformed into a 1 500 dwt bulk cement carrier, then sizes of the components are determined. The finite element model of the whole ship structure is established by MSC.Patran. The element property is set up with the redesigned size. Base on the most dangerous load combination in different operating conditions, the load is applied. The yield strength is analyzed by MSC.Patran. Then the stress distributions and deformation responses in typical operating condition are calculated. The result shows that the method of direct calculation on whole ship structure is feasible and reliable.

Keywords 1 500 dwt bulk cement carrierThe finite element calculation

The structural strength

0引言

隨著長(zhǎng)江黃金水道建設(shè)及內(nèi)河標(biāo)準(zhǔn)化船型的日益推進(jìn)，內(nèi)河老舊船舶的改造利用也越來越受到人們的重視。本文選取一艘由1 700 dwt散裝水泥駁船(原船)改造而成的內(nèi)河1 500 dwt散裝水泥轉(zhuǎn)運(yùn)躉船為研究對(duì)象，按照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范(2012)》(后簡(jiǎn)稱《內(nèi)規(guī)》)要求，重新設(shè)計(jì)各構(gòu)件的尺寸。然后使用MSC.Patran軟件建立全船有限元模型，按照新設(shè)計(jì)的尺寸賦單元屬性，按照不同工況下載荷組合不利的原則施加載荷[1]，使用MSC.Nastran軟件進(jìn)行屈服強(qiáng)度分析。

1船體模型

1.1主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式

全船主尺度及主要參數(shù)如表1所示。

表1　全船主尺度及主要參數(shù)

結(jié)構(gòu)型式：1 500 dwt散裝水泥躉船，貨艙區(qū)域?yàn)殡p殼、雙層底，船主甲板除艏艉是橫骨架外，其它為縱骨架。本船的載貨甲板為特殊的流化床結(jié)構(gòu)，且頂蓬甲板前艙范圍內(nèi)有較強(qiáng)的局部載荷式結(jié)構(gòu)。

1.2有限元模型

在本船尺度比中，L/D = 20 <35.0， B/D= 3.77 <7.0，滿足CCS《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范(2012)》第1篇第12章12.1.2.1關(guān)于躉船尺度比的要求。本文建立全船結(jié)構(gòu)的三維有限元模型不僅包括貨艙區(qū)和艏艉段結(jié)構(gòu)的所有有效縱向受力構(gòu)件：外底板、主甲板、載貨甲板、頂棚甲板、底縱桁、甲板板、甲板縱桁、舷側(cè)外板、內(nèi)舷板、舷側(cè)縱桁及中縱桁等，還包括槽型橫艙壁、實(shí)肋板、舷側(cè)肋板和甲板強(qiáng)橫梁組成的強(qiáng)框架等主要橫向結(jié)構(gòu)，除此主船體結(jié)構(gòu)還包括上層建筑結(jié)構(gòu)。模型中按照設(shè)計(jì)圖紙的要求考慮諸如板縫、肘板、開孔、圓弧倒腳和連接等構(gòu)造細(xì)節(jié)[2]。

全船結(jié)構(gòu)三維有限元模型如圖1所示。取右手直角坐標(biāo)系；原點(diǎn)取在Fr0(即0站)中縱剖面基線處；x即沿船長(zhǎng)方向，向艏為正；y即沿橫向，向左舷為正；z即沿垂向，向上為正。

圖1　全船模型

全船三維有限元模型共有86 035個(gè)節(jié)點(diǎn)，127 541個(gè)單元，其中包括四邊形(Quad)單元89 477個(gè)，三角形(Tri)單元3 054個(gè),梁?jiǎn)卧?bar)單元35 010個(gè),模型計(jì)算的自由度約為464 108。鋼材密度ρ=7.85×10-9t/mm3；楊氏模量E=2.06×105MPa；Poisson比ν=0.3。

2計(jì)算工況及邊界條件

2.1計(jì)算工況

本船由裝船系統(tǒng)的管道通過控制室實(shí)現(xiàn)散裝水泥貨物的裝卸，基本可以避免隔艙裝載的情況。因此計(jì)算中考慮了滿載、半載和空載三種裝載狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的重量分布數(shù)據(jù)，由ZCMT程序(外力計(jì)算程序)計(jì)算得到三種載況下的靜吃水分別為2.60 m、1.74 m和0.88 m。按照長(zhǎng)江A級(jí)航區(qū)計(jì)算舷外水壓力，由于本船頂蓬甲板沒有貨艙艙口，計(jì)算僅考慮半波高為1.25 m的迎浪中拱和迎浪中垂兩種舷外水條件。用ZCMT程序計(jì)算各載況下的靜水彎矩，并按照《內(nèi)規(guī)》計(jì)算中拱和中垂的波浪附加彎矩，考慮載荷不利的組合4種計(jì)算工況，如表2所示。

表2　計(jì)算工況說明

注：Ms1為滿載(2.6 m)靜水彎矩；Mw(-)為中垂波浪附加彎矩；Mw(+)為中拱波浪附加彎矩；Ms2為半載(1.74 m)靜水彎矩；Ms3為空載(0.88 m)靜水彎矩。

2.2邊界條件

在全船結(jié)構(gòu)的有限元直接計(jì)算中，選取合理的邊界約束條件對(duì)其計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性與可靠性起著關(guān)鍵作用。船舶在航行過程中并無約束，因此直接計(jì)算對(duì)其進(jìn)行靜力分析時(shí)，必須施加約束以消除其剛體位移。對(duì)于全船計(jì)算，常見的約束方式有支座和慣性釋放[3]。本文選取采用慣性釋放的方法處理邊界條件,用結(jié)構(gòu)的慣性(質(zhì)量)力來平衡外力,去掉支座,消除約束點(diǎn)的反力對(duì)變形和應(yīng)力狀態(tài)的影響,以便得到更加合理和符合實(shí)際情況的計(jì)算結(jié)果,從而對(duì)船舶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行更加合理的分析與評(píng)估[4]。

3載荷計(jì)算與加載

3.1空船載荷

根據(jù)提供的空船質(zhì)量數(shù)據(jù)，得到20個(gè)理論站距上空船質(zhì)量的分布，將它們分別近似地?cái)偟礁髡揪嘀兄饕獧M向構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)上，以集中力的形式施加到模型上[5]，如表3所示。

表3　空船重量加載

3.2貨物壓載[6]

本船滿載時(shí)每艙載運(yùn)500 t水泥貨物，半載時(shí)每艙載運(yùn)250 t水泥貨物。圖2、圖3為滿載和半載時(shí)貨物壓力等值云圖。

圖2　滿載時(shí)載貨甲板壓力等值圖

圖3　半載時(shí)載貨甲板壓力等值圖

3.3舷外水壓力[7]

以等效設(shè)計(jì)波的概念處理波浪，按照A級(jí)航區(qū)(半波高1.25 m)的波浪參數(shù)，分別考慮了迎浪中拱、迎浪中垂等兩種舷外水條件。計(jì)算中假設(shè)波浪為理想余弦波，波長(zhǎng)等于船長(zhǎng)(此時(shí)應(yīng)力結(jié)果偏于危險(xiǎn))。

滿載波浪中垂(工況1)、半載波浪中拱(工況2)、半載波浪中垂(工況3)以及空載波浪中拱(工況4)工況下模型中施加的舷外水壓力分別如圖4～圖7所示。

圖4　滿載、波浪中垂(工況1)的舷外水壓力

圖5　半載、波浪中拱(工況2)的舷外水壓力

圖6　半載、波浪中垂(工況3)的舷外水壓力

圖7　空載、波浪中拱(工況4)的舷外水壓力

3.4裝船系統(tǒng)的質(zhì)量

模型范圍內(nèi)有改造設(shè)計(jì)中新增的大托架和裝船系統(tǒng)。托架質(zhì)量計(jì)入空船質(zhì)量以慣性力的方式自動(dòng)施加。裝船系統(tǒng)的質(zhì)量：由于本次計(jì)算考慮的是本船在波浪中的航行(非裝卸作業(yè))狀態(tài)，計(jì)算中僅考慮裝船系統(tǒng)的靜載。轉(zhuǎn)運(yùn)儲(chǔ)罐靜載40×8=320 kN，旋轉(zhuǎn)機(jī)重力225 kN、傾覆力290 kN，并不嚴(yán)格對(duì)稱。計(jì)算中僅考慮轉(zhuǎn)運(yùn)儲(chǔ)罐一側(cè)的重力載荷。

模型中施加的裝船系統(tǒng)質(zhì)量如圖8所示。

3.5平衡調(diào)整

由于三維有限元模型的簡(jiǎn)化，以及數(shù)值計(jì)算所產(chǎn)生的誤差，手工的計(jì)算與施加載荷不能保證所加的質(zhì)量載荷與舷外水壓力達(dá)到精確的平衡。因此對(duì)所有的外載荷全部施加完成之后，需對(duì)該船舷外水壓力進(jìn)行調(diào)整[8]。即調(diào)整靜水及波浪條件下的平均吃水，使得整個(gè)模型中所施加的重力與浮力基本平衡。

圖8　裝船系統(tǒng)質(zhì)量示意圖

4模型計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力變化分析

計(jì)算得到各工況下全船模型應(yīng)力值如表4所示，各工況下船體板單元及梁?jiǎn)卧畲髴?yīng)力的結(jié)果如表5所示。

表4　各工況下全船模型應(yīng)力值　　　　　　　　　　　　　　單位：MPa

表5　各工況下船體各結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值　　　　　　　　　　　　　單位：MPa

圖9~圖12分別給出了本船在各種計(jì)算工況下得到的板單元形心處中面Von Mises應(yīng)力和梁?jiǎn)卧S心應(yīng)力的分布云圖，以及最大相當(dāng)應(yīng)力所在的大概位置。

圖9滿載中垂(工況1)板單元形心處中面相當(dāng)應(yīng)力σe和梁?jiǎn)卧S心應(yīng)力結(jié)果云圖單位：MPa

圖10半載中拱(工況2)板單元形心處中面相當(dāng)應(yīng)力σe和梁?jiǎn)卧S心應(yīng)力結(jié)果云圖單位：MPa

圖11半載中垂(工況3)板單元形心處中面相當(dāng)應(yīng)力σe和梁?jiǎn)卧S心應(yīng)力結(jié)果云圖單位：MPa

圖12空載中拱(工況4)板單元形心處中面相當(dāng)應(yīng)力σe和梁?jiǎn)卧S心應(yīng)力結(jié)果云圖單位：MPa

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中圖分類號(hào)U662

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡(jiǎn)介：盧永全(1982-)，男，講師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)安全性與可靠性。