桁架式桅桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性有限元分析

陳南華++王領(lǐng)++龐程燕

摘要：桁架式桅桿是船舶上的重要結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性直接關(guān)系著船舶的安全問題。基于中國船級社相關(guān)規(guī)范，利用有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran對某鋼質(zhì)綜合試驗(yàn)船的桁架式桅桿進(jìn)行了不同載荷工況下的強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析和評估，結(jié)果表明該桁架式桅桿結(jié)構(gòu)安全可靠。文中采用的校核方法可為其它類似桅桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性有限元分析提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：桁架式桅桿；有限元分析；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；局部穩(wěn)定性；整體穩(wěn)定性

中圖分類號：U667.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Finite Element Analysis of Structure Strength and Stability of Truss Type Mast

CHEN Nanhua， WANG Ling， PANG Chengyan

（Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250）

Abstract： Truss type mast is the main structure of a ship， the structure strength and stability of it is related to the security of a ship. The analysis and assessment of structural strength and stability under different loads of truss type mast in a steel sea-going test ship is carried out by the finite element analysis software MSC.Patran/Nastran based on the CCS rules. The results indicate that the structure of the truss type mast is safe and reliable.

Key words： Truss type mast； Finite element analysis； Structure strength； Local stability； Overall stability

1 引言

桅桿是現(xiàn)代船舶的一個(gè)重要組成部分，桅桿的功能主要是搭載船用雷達(dá)、船舶氣象儀、通信天線、信號燈等電子、電氣設(shè)備。按照其結(jié)構(gòu)形式一般可分為桁架桅和筒形桅兩種：筒形桅因?yàn)槠淞己玫膹?qiáng)度和隱身性能，受到廣泛應(yīng)用，對筒形桅桿的研究也較多；桁架式桅桿由于其結(jié)構(gòu)型式簡單、經(jīng)濟(jì)、受風(fēng)面積小等優(yōu)點(diǎn)也得到一定的應(yīng)用。

桁架式桅桿桿身較高，橫截面面積相對較小，安全可靠度較差，任何一根弦桿失穩(wěn)都容易引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。此外，其空間受力復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)和設(shè)備自重、慣性載荷以及風(fēng)載荷的影響下，強(qiáng)度及穩(wěn)定性都可能導(dǎo)致桅桿結(jié)構(gòu)破壞。

近幾年中國船級社相繼頒布的《水面艦艇入級規(guī)范（2011）》（以下簡稱《艦艇規(guī)范》）、《中國海警艦艇入級規(guī)范（2011）》、《海關(guān)緝私艦艇檢驗(yàn)指南（2013）》等對桅桿的強(qiáng)度及穩(wěn)定性提出了采用有限元法校核的要求。目前對桁架式桅桿強(qiáng)度及穩(wěn)定性研究的文章較少，尤其是對整體穩(wěn)定性的研究更少。本文利用有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran對某鋼質(zhì)海洋綜合試驗(yàn)船的桁架式桅桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、局部穩(wěn)定性及整體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和評估，其中強(qiáng)度及局部穩(wěn)定性評估主要依據(jù)《艦艇規(guī)范》，整體穩(wěn)定性評估則參考中國船級社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范（2007）》（以下簡稱《起重規(guī)范》）的有關(guān)要求進(jìn)行。

2 桅桿結(jié)構(gòu)概況

本桅桿結(jié)構(gòu)為三角形桁架式，安裝于羅經(jīng)甲板頂部，其布置及主要構(gòu)件尺寸如下：前主弦管φ180×8.0 mm，位于船體中心處；后兩根主弦管φ114×6.5 mm，對稱布置于距中1 200 mm處；橫撐及斜撐φ60×4.0 mm；桅桿平臺前斜撐φ114×6.5 mm、φ80×4.5 mm，后斜撐及導(dǎo)航雷達(dá)平臺φ80×4.5 mm；信號燈等小桅φ60×4.0 mm。詳見圖1。

3 有限元模型

3.1 模型的建立

對于整個(gè)船體結(jié)構(gòu)而言，桅桿結(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計(jì)算結(jié)果的影響，對模型范圍進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)充，模型范圍取整個(gè)桅桿結(jié)構(gòu)及第四層甲板室結(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，x軸沿船長方向首為正方向，y軸沿船寬方向左舷為正方向，z軸沿型深方向上為正方向。

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)件的腹板用板單元模擬；桅桿結(jié)構(gòu)、扶強(qiáng)材、甲板室橫梁、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；主要支撐構(gòu)件的面板用桿單元模擬；桅桿上的雷達(dá)等設(shè)備用質(zhì)量單元模擬。

網(wǎng)格尺寸以200×200 mm為基準(zhǔn)進(jìn)行劃分。模型中共有13 514個(gè)節(jié)點(diǎn)、12 485個(gè)板單元、4 133個(gè)梁單元、742個(gè)桿單元、2個(gè)質(zhì)量單元。

3.3 材料參數(shù)

本桅桿及甲板室結(jié)構(gòu)為普通船用鋼結(jié)構(gòu)，其彈性模量為2.06×105 N/mm2，泊松比為0.3，質(zhì)量密度為7.85×10-9 t/mm3，屈服強(qiáng)度為235 N/mm2。在有限元模型中，考慮到模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的誤差，如建模時(shí)未予考慮的焊料、燈座、信號燈、踏步及其他小的舾裝件等，因此模型中所采用的質(zhì)量密度增加10%，即8.635 ×10-9 t/mm3。

7 結(jié)論

（1）通過對桅桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，得到了桅桿結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。設(shè)計(jì)時(shí)對于高應(yīng)力區(qū)域應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注，必要時(shí)可采取精細(xì)網(wǎng)格進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析。

（2）本桅桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、局部穩(wěn)定性及整體穩(wěn)定性均滿足相關(guān)規(guī)范的要求，但安全裕度較大，這是因?yàn)楸疚U對結(jié)構(gòu)固有頻率有額外的要求，需適當(dāng)加大桅桿結(jié)構(gòu)的剛度導(dǎo)致的。

（3）桁架式桅桿的整體穩(wěn)定性校核方法及衡準(zhǔn)在相關(guān)船舶規(guī)范中沒有提及，由于結(jié)構(gòu)的相似性，本文參考了《起重規(guī)范》的相關(guān)要求對其進(jìn)行評估，在以后的桅桿整體性穩(wěn)定性評估中，建議可采用該規(guī)范進(jìn)行校核。

參考文獻(xiàn)

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2007.endprint