極地破冰船系力柱試驗(yàn)加強(qiáng)研究

王曙光 徐施紅

摘 要：隨著未來極地科考的發(fā)展，極地科考船必將成為一個(gè)重要船型。本文從系力柱試驗(yàn)加強(qiáng)設(shè)置角度，通過簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，通過有限元計(jì)算驗(yàn)證加強(qiáng)的可行性。

關(guān)鍵詞：系力柱試驗(yàn)；簡(jiǎn)化分析；極地自破冰

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.043

1 研究背景

目前，在我國極地科學(xué)考察一船四站基礎(chǔ)設(shè)施體系中，雪龍船是核心的運(yùn)輸工具，該船已經(jīng)處于超負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，難以兼顧和保障亟待加強(qiáng)的兩極地區(qū)海洋環(huán)境和資源調(diào)查的需求。

2 研究目的及意義

根據(jù)破冰船螺旋槳系柱工況初步估算，在零航速時(shí)破冰船首向拉力約1640kN，尾向拉力約1370kN。要確保達(dá)到該指標(biāo)，就牽涉到系柱的強(qiáng)度、船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

3 系力柱加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 系柱理論設(shè)計(jì)

破冰船系柱艏向最大拉力達(dá)到1640kN，參考目前的拖樁沒有如此大規(guī)格，故需要對(duì)系柱進(jìn)行全新設(shè)計(jì)。本課題參照《ISO13797-2012（E）十字帶攬樁》標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)型式，對(duì)系柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

3.2 系柱連接船體結(jié)構(gòu)范圍選擇

考慮到實(shí)船試驗(yàn)系柱連接的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。參考CCS規(guī)范中的選取原則，選擇系柱基座有效作用平面矩形形心為中心，向四周分別擴(kuò)展至少一倍。

3.3 邊界條件選擇

試驗(yàn)結(jié)構(gòu)四周分別為連續(xù)的結(jié)構(gòu)，對(duì)分離出的子結(jié)構(gòu)有一定的約束作用。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法對(duì)模型的簡(jiǎn)化計(jì)算的原理，此處的邊界條件選擇簡(jiǎn)支。

3.4 船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

系柱拉力使用MPC點(diǎn)加載模擬。模型中共有單元1721個(gè)，節(jié)點(diǎn)2275個(gè)， 經(jīng)過計(jì)算，甲板部位結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在系柱與船體結(jié)構(gòu)連接的四周區(qū)域，最大應(yīng)力108MPa，結(jié)構(gòu)選用屈服強(qiáng)度為355MPa的高強(qiáng)度鋼，滿足強(qiáng)度要求。

加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力也出現(xiàn)在與系柱連接的附近區(qū)域，最大應(yīng)力173MPa，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)選用屈服強(qiáng)度為355MPa的高強(qiáng)度鋼，滿足強(qiáng)度要求。

3.5 試驗(yàn)過程

為模擬實(shí)船系柱拖力試驗(yàn)過程，試驗(yàn)加載方案參考CB-T 3430-2013《拖船系柱拖力試驗(yàn)方法》。

首先將拉力機(jī)拉力逐步調(diào)整到861kN，然后在45s內(nèi)將拉力機(jī)拉力調(diào)整到試驗(yàn)要求最大拉力1640kN，在最大拉力狀態(tài)下至少保持10min。

試驗(yàn)過程中采集并記錄載荷和位移隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)、載荷隨位移變化數(shù)據(jù)，如圖2、圖3所示。采集并記錄相關(guān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在試驗(yàn)負(fù)荷作用下未發(fā)生破壞。

4 研究結(jié)論

綜上所述，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)符合設(shè)計(jì)預(yù)期，能夠系力柱試驗(yàn)要求，滿足設(shè)計(jì)要求。

作者簡(jiǎn)介：王曙光（1984-），男，江蘇人，本科，工程師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)。