計(jì)及日照溫差作用的坐塢艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

李陳峰，王庭策，唐濤，張志超，任慧龍，周學(xué)謙

哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

0 引 言

船舶建造和維修期間，由于焊接、坐墩、吊裝、設(shè)備上艦、負(fù)載改變以及日照溫度變化等因素的影響，結(jié)構(gòu)變形不可避免[1]。船體結(jié)構(gòu)的變形預(yù)報(bào)與控制，是一個(gè)國(guó)家造船工業(yè)的核心技術(shù)，也是世界性難題。相較于民用船舶，水面艦船建造期間的結(jié)構(gòu)變形不僅會(huì)影響其建造精度和質(zhì)量，還會(huì)影響艦載武器系統(tǒng)及航空保障系統(tǒng)的校準(zhǔn)，進(jìn)而直接影響艦船的戰(zhàn)斗力[2]。

對(duì)于坐塢船舶的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，目前常用的方法有基于梁理論的解析方法和基于結(jié)構(gòu)有限元模型的有限元法。其中，解析法將坐塢船舶簡(jiǎn)化為具有一系列彈性支座的變截面梁[3-5]，根據(jù)力平衡和變形協(xié)調(diào)，求解塢墩反力和船體梁整體變形，其計(jì)算原理明確、方法簡(jiǎn)單易行，但無(wú)法有效預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)的局部變形與應(yīng)力。程遠(yuǎn)勝等[6-7]采用解析法開展了船體變形和塢墩反力分析，并在此基礎(chǔ)上開展了墩木布局優(yōu)化設(shè)計(jì)。有限元法通過(guò)建立船體或者艙段的結(jié)構(gòu)有限元模型，精確地模擬船體重量分布和塢墩布置，可以全面掌握坐塢狀態(tài)下船體結(jié)構(gòu)的變形與應(yīng)力狀態(tài)、以及支墩反力等信息。針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有艦船規(guī)范不適用于船長(zhǎng)大于160 m的艦船的坐塢強(qiáng)度校核問(wèn)題，王?；ǖ萚8]開展了大型水面艦船坐塢強(qiáng)度衡準(zhǔn)研究，并采用有限元法完成了某艦坐塢狀態(tài)下的船體結(jié)構(gòu)與墩木強(qiáng)度分析。粟京等[9]采用有限元法開展了半潛式鉆井平臺(tái)大型模塊塢墩布置方案研究。

上述研究主要針對(duì)船舶坐塢狀態(tài)下塢墩布置及其對(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，對(duì)于影響坐塢船舶結(jié)構(gòu)響應(yīng)的其他因素暫未考慮。目前，國(guó)內(nèi)承擔(dān)水面艦船建造和維修任務(wù)的絕大多數(shù)船塢都是露天船塢，坐塢艦船時(shí)刻會(huì)受到日照溫度應(yīng)力的影響。根據(jù)某大型水面艦船坐塢期間的實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，日照溫差和溫度分布不均會(huì)導(dǎo)致該艦出現(xiàn)明顯的“荷葉變形”現(xiàn)象，早晚呈收縮狀、中午呈伸展?fàn)?。但目前考慮坐墩及日照因素耦合作用下船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形的研究幾乎空白，僅在一些特殊船舶，例如LNG船、瀝青船等的研究中考慮了溫度載荷對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響[10]。事實(shí)上，艦船坐塢期間由這類耦合因素引起的變形對(duì)艦載武器系統(tǒng)和航空保障系統(tǒng)的校準(zhǔn)影響非常大，故有必要開展日照溫差作用下坐塢艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)與變形的研究。

本文將考慮坐塢載荷和日照溫度載荷的共同作用，基于有限元法開展坐塢艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)與變形分析方法研究。以一型水面艦船為例，建立全船有限元模型，開展日照溫差作用下坐塢艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)與變形預(yù)報(bào)，以揭示艦船坐塢期間出現(xiàn)“荷葉變形”現(xiàn)象的原因，為坐塢狀態(tài)下艦載武器系統(tǒng)和航空保障系統(tǒng)的校準(zhǔn)提供參考。

1 艦船坐塢變形的相關(guān)計(jì)算原理

1.1 塢墩布置原則與坐塢變形原理

為保證船舶坐塢強(qiáng)度并控制坐塢變形，塢墩布置的一般原則如下[11]：

1） 墩木應(yīng)布置在船底橫向與縱向強(qiáng)構(gòu)件的交叉處。

2） 墩木在縱向大接縫處應(yīng)沿縱向布置，在橫向大接縫處應(yīng)沿橫向布置，且與大接縫處的距離應(yīng)大于0.4 m。

3） 由于艏部和艉部距離基線高度較大，通常布置可以活動(dòng)的墩木。艏艉部塢墩設(shè)置成鋼箱梁或者鋼支架，上部采用松木墩木與船體接觸[12]。

將坐塢船舶簡(jiǎn)化為具有一系列彈性支座的變截面梁，如圖1所示，其彎曲微分方程可寫為

圖 1 艦船坐塢簡(jiǎn)化力學(xué)模型Fig. 1 Simplified mechanical model of ship docking

1.2 熱傳導(dǎo)與熱應(yīng)力原理

基于有限元熱力耦合分析方法，開展計(jì)及日照溫差作用的坐塢艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。溫度載荷以溫度場(chǎng)的形式施加到結(jié)構(gòu)上。主要考慮熱傳導(dǎo)的影響，并通過(guò)鋼材相關(guān)熱物理參數(shù)的設(shè)置，部分考慮熱輻射和熱對(duì)流的影響。

溫度載荷在船體結(jié)構(gòu)中的傳遞一般包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射[13]。其中，熱傳導(dǎo)可表示為

當(dāng)船體結(jié)構(gòu)或構(gòu)件因溫度變化而發(fā)生變形時(shí)，由于受到各種邊界條件約束，結(jié)構(gòu)內(nèi)存在溫度梯度，不同結(jié)構(gòu)位置存在相對(duì)溫差，結(jié)構(gòu)及構(gòu)件中就會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，其結(jié)構(gòu)響應(yīng)原理為

2 算例與結(jié)果分析

2.1 目標(biāo)艦有限元模型

以一型水面艦船為例，開展日照溫差作用下坐塢變形與結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。目標(biāo)船船長(zhǎng)為120 m，型寬14.4 m，型深15.8 m，結(jié)構(gòu)重量1 215 t，全船有限元模型如圖2所示，材料主要的熱物理參數(shù)如表1所示。

圖 2 全船有限元模型Fig. 2 Finite element model of the whole ship

表 1 材料主要熱物理參數(shù)Table 1 Main thermo-physical parameters of material

建模過(guò)程中，除縱骨、T型材面板和支柱等用梁?jiǎn)卧獊?lái)近似模擬外，其他船體主要結(jié)構(gòu)均用板殼單元模擬，以真實(shí)地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的形式[14]。同時(shí)，根據(jù)塢墩布置原則在船底強(qiáng)肋骨與縱桁連接處等船體強(qiáng)結(jié)構(gòu)交叉區(qū)域進(jìn)行塢墩布置[15]，采用接地彈簧模擬墩木。彈簧剛度可根據(jù)實(shí)際的塢墩尺寸建立有限元模型，通過(guò)計(jì)算單位載荷作用下塢墩的變形量來(lái)確定，本文根據(jù)文獻(xiàn)[8]取5.88×105N/mm。

由于本文主要考察日照和重力作用下船體的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，尤其是縱向和垂向變形，同時(shí)為了避免邊界條件對(duì)其的影響，因此除了接地彈簧外，主要在艏艉端處約束船體的橫向位移和水平轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 計(jì)算工況定義

通過(guò)對(duì)某船廠所在區(qū)域9月某天的溫度測(cè)量，得到了船體甲板溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線，如圖3所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，甲板溫度與環(huán)境溫度相差不大，而后隨著環(huán)境溫度的逐步升高，溫差逐步增大，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到37 ℃時(shí)甲板溫度可達(dá)70 ℃。據(jù)此定義了6組計(jì)算工況，以分析日照溫度載荷對(duì)艦船坐塢變形與應(yīng)力的影響，如表2所示。

圖 3 環(huán)境溫度和甲板溫度測(cè)量值Fig. 3 Measured values of atmospheric temperature and deck temperature

表 2 計(jì)算工況定義Table 2 Definition of calculation cases

其中，Case-1不計(jì)及日照溫度載荷作用，用來(lái)驗(yàn)證墩木布置的合理性，并為接下來(lái)的計(jì)及日照溫度載荷的有限元計(jì)算提供基礎(chǔ)。Case-2～Case-6分別在Case-1的基礎(chǔ)上施加不同的溫度載荷，用來(lái)具體分析日照溫度載荷作用帶來(lái)的影響。由于日照作用引起的相對(duì)溫差變化在甲板區(qū)域最為顯著，為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅考慮甲板溫度和環(huán)境溫度并以此施加溫度場(chǎng)。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

在全船有限元模型的基礎(chǔ)上，施加各工況的溫度載荷，開展日照溫差作用下坐塢艦船的結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算。

圖4為不計(jì)溫度載荷作用下，即Case-1工況下全船變形和應(yīng)力云圖，圖5和圖6分別為Case-2和Case-6工況下全船變形、應(yīng)力云圖和最大應(yīng)力位置云圖，其余工況下云圖趨勢(shì)基本相同。表3所示為各工況下最大變形、最大應(yīng)力以及最大應(yīng)力位置。

圖 4 Case-1全船變形和應(yīng)力云圖Fig. 4 Whole ship deformation and stress contours for Case-1

圖 5 Case-2全船變形、應(yīng)力及最大應(yīng)力位置云圖Fig. 5 Contours diagram of deformation, stress and maximum stress position for case-2

圖 6 Case-6全船變形、應(yīng)力及應(yīng)力最大位置云圖Fig. 6 Contours diagram of deformation, stress and maximum stress position for case-6

表 3 各工況最大變形及應(yīng)力統(tǒng)計(jì)Table 3 Maximum deformation and maximum stress under each calculation case

由計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，日照作用下坐塢艦船應(yīng)力極值最小為18.6 MPa，最大值為107 MPa，整體應(yīng)力水平隨著環(huán)境溫度的上升、甲板與環(huán)境溫度溫差的增大而增大，應(yīng)力極值出現(xiàn)的位置也會(huì)隨著甲板溫度的上升而從船艉底部轉(zhuǎn)為上層建筑與船體舷側(cè)板相交處。當(dāng)甲板溫度分別為60 ℃和70 ℃時(shí)，船艏甲板大開口處分別出現(xiàn)了87.3 MPa和96.7 MPa的應(yīng)力集中。雖然此溫度條件下整船應(yīng)力值仍處于安全范圍內(nèi)，但由于應(yīng)力集中的出現(xiàn)，仍需對(duì)此類結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問(wèn)題加以重視。從船體變形角度看，船體最小變形極值為2.94 mm，最大變形極值為25.7 mm，同樣隨著環(huán)境溫度的上升、甲板與環(huán)境溫度溫差的增大而增大，均出現(xiàn)在船艏的甲板前端。整體而言，船艏、艉甲板均有明顯向外端擴(kuò)張的趨勢(shì)。

當(dāng)此艦船在日照條件下進(jìn)行坐塢時(shí)，隨著溫度的升高，其變形趨勢(shì)為船舯向艏艉兩端擴(kuò)張，呈現(xiàn)出“荷葉變形”的狀態(tài)，變形值會(huì)隨著甲板溫度的升高而逐漸增大；對(duì)于艦船應(yīng)力而言，隨著甲板溫度的升高，應(yīng)力值會(huì)逐漸增大，最大應(yīng)力位置也會(huì)由船艉底部區(qū)域轉(zhuǎn)移至上層建筑與船體舷側(cè)相交處，最終進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用有限元法建立了日照作用下坐塢艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)與變形分析方法，研究表明：坐塢狀態(tài)下，艦船的整體變形和結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨甲板溫度的升高而增加；伴隨著日照溫差的變化，艦船會(huì)出現(xiàn)船舯向艏艉兩端擴(kuò)張的趨勢(shì)，即“荷葉變形”狀態(tài)，這與實(shí)際觀察相符，同時(shí)也證明本文方法有效、可行。本文研究成果對(duì)于坐塢狀態(tài)下艦船結(jié)構(gòu)和相關(guān)系統(tǒng)的校準(zhǔn)和標(biāo)定具有重要指導(dǎo)意義。