拖樁結(jié)構(gòu)選型的有限元應(yīng)用

李小葉，程 祥

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

某多功能執(zhí)法艇航行于內(nèi)河B級(jí)航區(qū)，具有巡航、指揮、排檔、拖帶等多種功能。受航道的影響，該船吃水和船長(zhǎng)受到限制。為了給舵機(jī)提供安裝空間，尾部甲板必須局部升高。滿足各項(xiàng)執(zhí)法功能后，該船的拖樁只能布置在尾甲板的高度變化部分。由于拖樁結(jié)構(gòu)形式比較特殊，為了確定其所受應(yīng)力大小，采用有限元分析的方法，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析。

1 拖樁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該船的拖樁布置如圖1所示。在拖樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，有3種方案可供選擇。方案1，拖樁安裝在升高甲板上，不伸入主甲板;方案2，拖樁伸入主甲板下，與主甲板下的甲板縱桁連接;方案3，拖樁伸入主甲板下，與船底板及中內(nèi)龍骨連接。詳細(xì)的結(jié)構(gòu)如圖2～圖4所示。

圖1 拖樁布置圖

2 有限元應(yīng)用于拖樁結(jié)構(gòu)計(jì)算

以上3種設(shè)計(jì)方案中，拖樁及其連接構(gòu)件的應(yīng)力和變形情況有著很大的區(qū)別。為盡量真實(shí)反映拖樁及其連接構(gòu)件的應(yīng)力和變形情況，采用有限元法進(jìn)行計(jì)算，為方案選擇提供依據(jù)。

2.1 有限元模型

(1)幾何模型建立

幾何模型的建立對(duì)于有限元計(jì)算來(lái)說(shuō)是非常重要的。建立準(zhǔn)確的幾何模型為建立良好的有限元模型提供了方便。根據(jù)結(jié)構(gòu)詳圖，建立了甲板、橫梁、強(qiáng)橫梁、甲板縱桁，舷側(cè)板、肋骨、強(qiáng)肋骨，船底板、中內(nèi)龍骨，拖樁立柱及橫桿等幾何模型。

(2)單元類型選取

單元是用來(lái)模擬研究對(duì)象物理特性的基本單位，單元類型的選取應(yīng)符合物體的變形和受力特征。甲板板、舷側(cè)板、船底板采用板單元模擬;強(qiáng)橫梁腹板、甲板縱桁腹板、強(qiáng)肋骨腹板、中內(nèi)龍骨腹板采用板單元模擬;拖樁立柱及橫桿采用板單元模擬;橫梁、肋骨采用梁?jiǎn)卧M;強(qiáng)橫梁面板、甲板縱桁面 板、強(qiáng)肋骨面板、中內(nèi)龍骨面板采用梁?jiǎn)卧M。

(3)網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?/p>

有限元通過(guò)劃分網(wǎng)格單元對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行離散處理。劃分網(wǎng)格后，原來(lái)的幾何模型將用眾多的物理單元來(lái)模擬。網(wǎng)格單元?jiǎng)澐仲|(zhì)量的好壞直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度。結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分參照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶船體結(jié)構(gòu)直接計(jì)算指南》(2002)中的相關(guān)規(guī)定:沿船長(zhǎng)方向，每檔肋位劃分2個(gè)單元;沿船寬方向，劃分16個(gè)單元;沿型深方向，劃分4個(gè)單元。同時(shí)控制板單元的長(zhǎng)寬比盡量接近1。

3種方案的有限元模型如圖5～圖7所示。

2.2 計(jì)算結(jié)果

模型的載荷為拖樁上57.6 kN的拖力，以集中力的形式施加在拖樁上。強(qiáng)肋位處為簡(jiǎn)支約束，約束各節(jié)點(diǎn)的3向位移;橫艙壁處為固定約束，約束各節(jié)點(diǎn)的3向位移和3向轉(zhuǎn)角。

(1)等效應(yīng)力

圖8～圖10為3種方案的等效應(yīng)力圖，3種方案中拖樁連接構(gòu)件的的最大等效應(yīng)力見表1。

表1 拖樁連接構(gòu)件最大等效應(yīng)力

(2)剪切應(yīng)力

圖11～圖13為3種方案的剪切應(yīng)力圖。3種方案中拖樁連接構(gòu)件的的最大剪切應(yīng)力見表2。

(3)變形情況

圖14～圖16為3種方案的變形圖，3種方案中拖樁連接構(gòu)件的最大變形量見表3。

表3 拖樁連接構(gòu)件最大變形量

3 方案對(duì)比

通過(guò)以上的有限元計(jì)算數(shù)據(jù)和圖形，對(duì)3種方案進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論:

(1)方案1拖樁連接構(gòu)件的等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力最大，方案2次之，方案3最小。

(2)方案1拖樁連接構(gòu)件的等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力分布比較集中，主要集中在拖樁根部區(qū)域;方案2和方案3相比而言應(yīng)力分布要均勻些。

(3)3個(gè)方案的拖樁連接構(gòu)件的變形情況，方案1的變形范圍要大一些，方案3變形范圍最小，方案2變形值最大。

(4)由拖力引起的拖樁連接構(gòu)件的應(yīng)力主要位于沿船寬方向的3倍拖樁立柱直徑內(nèi)，超出此范圍，應(yīng)力值迅速減小。

(5)從施工的角度來(lái)看，方案1拖樁直接與甲板焊接;方案2拖樁深入主甲板，與甲板縱桁連接;方案3伸入主甲板下，與船底板及中內(nèi)龍骨連接。方案3較前2個(gè)方案復(fù)雜一點(diǎn)。

構(gòu)件的強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮的因素。雖然方案3較前2個(gè)方案施工過(guò)程復(fù)雜些，但其應(yīng)力及變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于前2個(gè)方案。為了保證拖樁的強(qiáng)度，選擇了方案3為最終的施工方案。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用有限元計(jì)算方法，船體局部構(gòu)件的應(yīng)力及變形情況能形象地在圖形中得到反映，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)方便。該多功能執(zhí)法艇拖樁及其連接構(gòu)件方案設(shè)計(jì)中，3種方案的優(yōu)劣通過(guò)有限元計(jì)算，表明第3種方案降低了船體構(gòu)件的應(yīng)力，減小了構(gòu)件變形量。目前該多功能執(zhí)法艇已經(jīng)投入使用，在拖帶的過(guò)程中，拖樁及其連接構(gòu)件無(wú)明顯變形，使用效果良好。