鋁質(zhì)焊接拖樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析及加強(qiáng)

陳南華

摘 要：利用有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran對(duì)某鋁質(zhì)穿浪雙體船首部焊接拖樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析和評(píng)估，得到了拖樁及其連接結(jié)構(gòu)的詳細(xì)應(yīng)力分布情況，并根據(jù)分析結(jié)果提出了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案。本文可為其它類似拖樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：鋁質(zhì)焊接拖樁；有限元分析；應(yīng)力分布；結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

中圖分類號(hào)：U663.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The analysis and assessment of structural strength of fore welding towing post in an aluminum wave-piercing catamaran is carried out by the finite element analysis software MSC.Patran/Nastran， the detailed stress distribution of the towing post and its attached structure is given and the structure strengthening scheme is provided based on the analysis results. This paper can provide some references for finite element analysis and structure optimized design for the other similar towing posts.

Key words： Aluminum welding towing post； Finite element analysis； Stress distribution； Structure strengthening

1 引言

限于鋁質(zhì)穿浪雙體船中央船首空間布置問題，位于首部的拖樁結(jié)構(gòu)形式通常為焊接鋁合金管，通過肘板與舷墻及主船體連接。拖樁在系泊防臺(tái)或拖帶工況下容易在拖樁樁柱與船體相交處產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，甚至有可能引起船體結(jié)構(gòu)的破壞。為此，有必要對(duì)拖樁及其附近的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為詳細(xì)的有限元分析，以獲得詳細(xì)的應(yīng)力分布情況，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及加強(qiáng)。

本文利用有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran對(duì)某鋁質(zhì)穿浪雙體船首部焊接拖樁在系泊防臺(tái)工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析和評(píng)估，并根據(jù)分析結(jié)果提出了簡單有效的加強(qiáng)方案，以滿足該船系泊防臺(tái)的要求。有限元分析及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估主要依據(jù)中國船級(jí)社《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范（2012）》（以下簡稱《海高規(guī)》）中高速船船體結(jié)構(gòu)直接計(jì)算指南的相關(guān)要求進(jìn)行。

2 拖樁結(jié)構(gòu)概況

本船拖樁為鋁合金焊接管，樁柱為 160x10 mm，樁柱封板為 180X12 mm，樁柱中心距為660 mm；橫檔為

95X7.5 mm，橫檔封板為 110X8 mm，橫檔中心距舷墻頂板高度為300 mm（見圖1）。

3 有限元模型

3.1 模型的建立

對(duì)于整個(gè)船體結(jié)構(gòu)而言，拖樁及其附近結(jié)構(gòu)受力屬于局部強(qiáng)度問題。根據(jù)圣維南原理，為了盡量減少邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)模型范圍進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)充，模型范圍取#20至船首的中央船首、舷墻和拖樁結(jié)構(gòu)，有限元模型見圖2?？傮w坐標(biāo)系取右手直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)取在船縱中剖面內(nèi)尾垂線（#0）和基線相交處，x軸沿船長向首為正方向，y軸沿船寬向左舷為正方向，z軸沿型深向上為正方向。

3.2 單元類型及網(wǎng)格尺寸

結(jié)構(gòu)中的板材和主要支撐構(gòu)件的腹板、拖樁結(jié)構(gòu)等用板單元模擬；縱骨、主要支撐構(gòu)件的面板、支柱等用梁單元模擬，并考慮各構(gòu)件的實(shí)際截面和偏心。

模型網(wǎng)格尺寸：縱向以1/2肋距、橫向、垂向以縱骨間距為基準(zhǔn)進(jìn)行劃分；帶纜樁及其連接區(qū)域的結(jié)構(gòu)采用細(xì)化網(wǎng)格，其尺寸約為30 mm × 30 mm，并逐漸過渡到周邊的粗網(wǎng)格（見圖3）。模型中共有4 883個(gè)節(jié)點(diǎn)、5 135個(gè)板單元、787個(gè)梁單元。

3.3 材料參數(shù)

船體結(jié)構(gòu)及拖樁材料為鋁合金，其中板材為5083-H321/H116，型材為6082-T6。鋁合金彈性模量為0.69x105 MPa，泊松比為0.33，焊接后的屈服強(qiáng)度為125 MPa。

3.4 載荷及加載

在系泊防臺(tái)時(shí)，纜索系在拖樁上，經(jīng)過首部導(dǎo)纜孔與防臺(tái)設(shè)施系固。考慮最危險(xiǎn)的工況，即纜索出索方向?yàn)殡p十字拖樁左側(cè)拖樁頂端往下約30 mm處的圓心與首部導(dǎo)覽孔左端點(diǎn)的連線。系泊力大小根據(jù)水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果為96 kN，以集中力的形式通過MPC（多點(diǎn)約束）加載于左側(cè)拖樁頂端往下約30 mm處的圓心處。

3.5 邊界條件

模型端部采用固支邊界條件，即δx=δy=δz=0、θx=θy=θz=0。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 許用應(yīng)力

本計(jì)算主要針對(duì)中央船首及拖樁局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析，因此許用應(yīng)力可參照《海高規(guī)》附錄2中局部強(qiáng)度衡準(zhǔn)的規(guī)定：對(duì)于鋁合金結(jié)構(gòu)其局部強(qiáng)度計(jì)算的板單元，許用等效應(yīng)力為0.80σ0.2=0.80*125=100 MPa。

但由于拖樁及其連接結(jié)構(gòu)附近采取了細(xì)化模型網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸不大于50 mm*50 mm，因此許用應(yīng)力可參照《海高規(guī)》附錄2中細(xì)化網(wǎng)格應(yīng)力衡準(zhǔn)的規(guī)定，即：對(duì)于鋁合金結(jié)構(gòu)其細(xì)化網(wǎng)格模型計(jì)算的板單元，許用等效應(yīng)力為1.30σ0.2=1.30*125=162.5 MPa。

4.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從圖4中可以看出，中央船首及拖樁結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在拖樁樁柱與舷墻頂板相交處，其值為184 MPa，大于細(xì)化網(wǎng)格模型對(duì)應(yīng)的許用等效應(yīng)力162.5 MPa。endprint

從圖5中可以看出等效應(yīng)力超過局部強(qiáng)度計(jì)算衡準(zhǔn)許用等效應(yīng)力100 MPa的單元，主要集中在細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域。

4.3 強(qiáng)度評(píng)估

從計(jì)算結(jié)果可以得出結(jié)論：在96kN系泊力作用下，中央船首結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度基本上可滿足《海高規(guī)》的要求，但在拖樁及其連接結(jié)構(gòu)細(xì)化區(qū)域存在應(yīng)力超限的情況，因此需對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，以使得拖樁及其連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力能滿足要求。

5 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案

參考中華人民共和國船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CB∕T 3845-2000《船用十字形纜樁》中的樁柱強(qiáng)度校核方法，拖樁結(jié)構(gòu)可近似簡化為一端剛性固定的懸臂梁，最大彎矩出現(xiàn)在樁柱約束端，即最大彎曲應(yīng)力出現(xiàn)在樁柱約束端，這與本文第4節(jié)中的分析結(jié)果相符。

因此，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案可從增加樁柱端部的剖面模數(shù)進(jìn)行考慮，結(jié)合本船的實(shí)際情況，在不破壞原船結(jié)構(gòu)的前提下，制定了加強(qiáng)方案：在拖樁樁柱與舷墻頂板相交處增加一塊5 mm的圓臺(tái)板，圓臺(tái)上圓直徑為拖樁樁柱外徑160 mm，下圓直徑為260 mm，高度為50 mm（見圖6）。

經(jīng)過計(jì)算，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后拖樁及其連接結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為149 MPa，小于細(xì)化網(wǎng)格模型對(duì)應(yīng)的許用等效應(yīng)力162.5 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在拖樁樁柱與加強(qiáng)圓臺(tái)板相交處，拖樁樁柱與舷墻頂端相交處的應(yīng)力明顯降低，見圖7。

6 結(jié)論

通過對(duì)鋁質(zhì)焊接拖樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，得到了拖樁及其連接結(jié)構(gòu)的詳細(xì)應(yīng)力分布特點(diǎn)，對(duì)于新造船舶在設(shè)計(jì)之初可從樁柱本身及支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸優(yōu)化的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于改裝船舶來說，本文提出的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案可有效地降低拖樁及其連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，有利于提升拖樁的系泊能力，可為其它類似拖樁結(jié)構(gòu)加強(qiáng)提供一定的參考。

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