某工程船坐底工況底座基梁載荷計(jì)算及船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

，

(武漢金鼎船舶工程設(shè)計(jì)有限公司，武漢 430062)

某工地碼頭面標(biāo)高為+3.2 m，碼頭面與駁船甲板面設(shè)置的滑道標(biāo)高保持一致才能使構(gòu)件順利上駁，所以駁船甲板面標(biāo)高即為+3.2 m。工程船型深為6.4 m，由此，將駁船船底面標(biāo)高定為-3.2 m，此標(biāo)高即為駁船坐底區(qū)域基梁的頂面標(biāo)高。

通過調(diào)整壓載水，可以保證工程船甲板面達(dá)到以上所要求的標(biāo)高。但是，由于船舶浮在水中的不穩(wěn)定性，無法使重量為3 000 t左右的混凝土預(yù)制件順利通過軌道滑移上駁;而且，由于上駁時(shí)間較長(zhǎng)，潮汐時(shí)刻變化，因此，必須加入足夠的壓載水，使船舶處于穩(wěn)定的坐底狀態(tài)才能滿足上駁要求。底座基梁的設(shè)計(jì)單位需要知道基梁負(fù)荷及布置情況才能進(jìn)行設(shè)計(jì)，船舶設(shè)計(jì)者必須提供底座基梁負(fù)荷數(shù)據(jù)，而且船舶坐底狀態(tài)的受力情況與正常的航行狀態(tài)有很大不同，因此需要校核船舶在坐底狀態(tài)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，才能保證工程的順利實(shí)施。

1 工程船主要尺度及底座基梁的布置

該工程船為非自航、單底、單甲板、鋼質(zhì)箱型工程甲板駁，方艏、方艉，艏部為勺形，艉部下設(shè)有2個(gè)呆木，設(shè)計(jì)航區(qū)為中國近海。

總長(zhǎng)：90.00 m;型寬：26.00 m;

型深：6.40 m;設(shè)計(jì)吃水：4.70 m。

碼頭工程基地共設(shè)置9道底座基梁，其中7道與船體橫艙壁對(duì)齊，另外兩道布置于船中附近的強(qiáng)框架位置，見圖1。

圖1 底座基梁布置圖

2 計(jì)算過程

2.1 計(jì)算方法

根據(jù)船體梁實(shí)際情況進(jìn)行全船建模，模型為板梁組合結(jié)構(gòu)，底座基梁按布置位置以實(shí)體單元進(jìn)行建模。有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

進(jìn)行底座基梁載荷計(jì)算時(shí)，在底座基梁中心位置沿船舶寬度方向取3個(gè)約束點(diǎn)，施加3個(gè)方向線位移及繞船長(zhǎng)、型深方向兩個(gè)角位移的約束;按實(shí)際情況施加各種載荷，求出各約束點(diǎn)的約束反力，該反力的大小與底座基梁的載荷相等，方向相反。

進(jìn)行船體強(qiáng)度校核時(shí)，在底座基梁下表面施加全約束，對(duì)船體梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估。

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)用戶提供的潮汐水位以及壓載艙的布置情況，對(duì)4種工況(見表1)進(jìn)行計(jì)算，甲板負(fù)荷按3 600 t計(jì)算，油水及壓載水艙滿載，其中最大吃水5.57 m(LC4)為海水突然漲潮，壓載水沒有排除，船舶起浮，底座基梁不受力的極端工況。

表1 工況標(biāo)識(shí)與描述

2.3 載荷計(jì)算

1)按船舶完工圖紙，統(tǒng)計(jì)出各肋位空船重量，以集中力形式施加于相應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)上。

2)液艙壓力以面壓力形式施加于各艙室。

3)舷外水壓力P按P=ρgh進(jìn)行施加。

其中考慮波浪的兩種工況波面高度按理想余弦波進(jìn)行施加，理想余弦波波高z表達(dá)為

式中：h——波高，0.8 m(底座基梁設(shè)計(jì)單位提供)；

x——沿船長(zhǎng)方向坐標(biāo)；

λ——波長(zhǎng)，14.6 m(底座基梁設(shè)計(jì)單位提供)。

4)在載貨區(qū)域施加表面力。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 底座基梁載荷計(jì)算結(jié)果

底座基梁載荷計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 吃水2.0 m時(shí)底座基梁載荷計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算可知，本船在底座狀態(tài)，底座基梁5(FR21)所承受的載荷最大，船中處于波谷時(shí)，載荷為22 409.26 kN。

3.2 坐底狀態(tài)船體強(qiáng)度校核結(jié)果

根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2012)結(jié)合《浮船塢規(guī)范》給出的許用應(yīng)力，取各種工況最大值進(jìn)行安全評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)論，通過合理配置壓載水以及進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)，本船船體結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求，計(jì)算結(jié)果相見表3及圖3～9。

表3 強(qiáng)度衡準(zhǔn) MPa

圖3 外板相當(dāng)應(yīng)力云圖

圖4 縱艙壁相當(dāng)應(yīng)力云圖

圖5 強(qiáng)框架相當(dāng)應(yīng)力云圖

圖6 外板剪切應(yīng)力云圖

圖7 縱艙壁剪切應(yīng)力云圖

圖8 船底及舷側(cè)縱骨軸向應(yīng)力云圖

圖9 艙壁扶強(qiáng)材軸向應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

1)通過某工程船在坐底狀態(tài)滾裝大型混凝土預(yù)制件的工程實(shí)例，闡明底座基梁負(fù)荷的計(jì)算方法以及工程可行性，通過有限元仿真建模計(jì)算，得出底座基梁的實(shí)際負(fù)荷分布情況，為底座基梁設(shè)計(jì)方提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

2)提出的計(jì)算方法具有普遍性，可以作為其它工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的參考。

3)仿真模擬與工程實(shí)際之間存在一定的差別，底座基梁設(shè)計(jì)負(fù)荷的安全系數(shù)的取值問題尚待研究。

[1] 中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2000.

[2] 王杰德、楊永謙.船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [M].北京:國防工業(yè)出版社，1995.