80 m躉船結(jié)構強度有限元分析

譚慧娟，宋　健，丁宇翔

(1.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇鎮(zhèn)江建工建設集團有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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80 m躉船結(jié)構強度有限元分析

譚慧娟1，宋健1，丁宇翔2

(1.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇鎮(zhèn)江建工建設集團有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要：針對80 m躉船估算剖面模數(shù)和慣性矩不滿足規(guī)范要求的問題，根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》和《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》中相關內(nèi)容，采用MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN有限元軟件，建立全船的結(jié)構模型，進行強度校核分析。結(jié)果表明，2種方法計算結(jié)果均滿足規(guī)范中許用應力衡準要求，并且2種結(jié)果相差較小。該研究方法對同類問題具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：躉船；結(jié)構強度；強度計算；有限元分析；慣性釋放

0引言

躉船是無動力裝置的矩形平底的非自航船舶，通常固定在岸邊，作為船舶停靠的“浮碼頭”。近年來，港口貨物吞吐量、危險貨物吞吐量、船舶交通量、大事故數(shù)量等方面均將超過船舶交通風險門限值，原有的小型巡邏艇已不能滿足使用。為更好適應港區(qū)的開發(fā)和地方航運經(jīng)濟發(fā)展，解決執(zhí)法人員辦公、生活和學習的需要，海事部門加大了大型巡邏艇的投入使用，因此建設80 m躉船浮碼頭可以填補主體港區(qū)和灌河水域之間監(jiān)管基站的空白。

80 m躉船是在原有的60 m級躉船基礎上全新設計的一型船舶。隨著船舶建造規(guī)范的不斷完善，要求不斷提高，對于船舶的結(jié)構強度分析要求更加嚴格。但是，《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2014)對于海上躉船沒有詳細的規(guī)范要求，例如當躉船尺度比超過規(guī)范中的要求時應如何校核其總縱強度等，目前全船有限元直接計算是分析船舶結(jié)構強度直觀而準確的方法之一[2]。

1實船的主要量度

80 m躉船的主要量度如下：

船長L

80.0 m

船寬B

15.0 m

型深D

3.0 m

吃水d

1.5 m

梁拱f

0.15 m

計算航區(qū)

遮蔽航區(qū)

80 m躉船主要用于海事執(zhí)法、生活起居及船艇?？?。主船體分成135個肋位，0～10肋位和125～135肋位的肋距為0.55 m，其余為0.6 m。通過6道橫艙壁將船體劃分為若干部分，分別為艉艙、油艙、空艙、泵艙、船舶備品艙、壓載艙、備件間、防污器材倉庫和艏艙。甲板與船底均采用縱骨架結(jié)構，舷側(cè)采用橫骨架結(jié)構。躉船的總布置圖(側(cè)視圖)如圖1所示。

2最小剖面模數(shù)和最小慣性矩的計算

2.1規(guī)范計算

本船根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2014)(以下簡稱“規(guī)范1”)相關規(guī)定，在甲板處和龍骨處的船中最小剖面模數(shù)W0、最小慣性矩I應不小于式(1)、式(2)：

W0=CL2B(Cb+0.7)

(1)

I=3W0L

(2)

式中：C為系數(shù),C=7.296；L為船長，L=80 m；B為船寬，B=15 m；Cb為方形系數(shù)，Cb=0.981。

經(jīng)計算，W0=1.18×106cm3，I=2.82×106cm4。

2.2實船計算

本船的剖面模數(shù)采用海船Compass軟件計算，計算所得的最小剖面模數(shù)W0′=6.84×105cm3，最小慣性矩I0′=1.19×106cm4，該值均小于“規(guī)范1”中要求的最小剖面模數(shù)W0和最小慣性矩I。

本船B/D=4.6，尺度比超過規(guī)范相關要求。根據(jù)“規(guī)范1”第2章第2節(jié)的相關要求，對于具有L/B≤5、B/D≥2.5中一個或者多個特征的船舶，應采用直接方法計算結(jié)構強度，更能反映船體結(jié)構強度是否足夠。

本文計算采用有限元分析軟件MSC/PATRAN、NASTRAN,對80 m躉船的結(jié)構強度進行校核評估。本船選用的材料為碳素鋼，其泊松比為0.3，材料屈服強度為235 MPa，彈性模量為2.06×105MPa，密度為7 850 kg/m3，重力加速度為9.8 m/s2。

圖1　80 m躉船總布置圖(側(cè)視圖)

3有限元模型

3.1結(jié)構模型

本文在建立模型時采用平面四邊形板單元(shell)(局部過渡區(qū)域采用三角形板單元)描述船體板、強橫梁、縱桁、船底實肋板、艙壁垂直桁等強框架的腹板，用一維梁單元(beam)描述縱骨、橫梁、強框架面板等構件，通過板梁單元組合的力學模型描述整船的結(jié)構。計算時，一般采用強力甲板及以下部分的整船模型，所以模型中忽略上層建筑、小肘板、甲板、平臺和艙壁上的小開口等[3]。有限元模型的坐標系為直角坐標系，X軸由尾部指向首部為正，Y軸由右舷指向左舷為正，Z軸垂直向上為正。本船有限元模型坐標原點建立甲板面尾端與中縱剖面相交處。有限元模型的長度單位為m，力的單位為N。全船結(jié)構有限元模型如圖2所示。

圖2　全船結(jié)構有限元模型

3.2邊界條件

由于船舶結(jié)構具有較為復雜的空間結(jié)構，直接計算時，有限元模型中的節(jié)點數(shù)、單元數(shù)量龐大，載荷計算的累積誤差難以尋求完全平衡的外載荷力系，所以施加合理的邊界條件十分重要[4]。

由于船舶結(jié)構處于“全自由”狀態(tài)，在進行有限元靜力分析時，采用慣性釋放，去掉支座，消除約束點的反力對變形和應力狀態(tài)的影響，并且使得斷面剪力可以施加到計算模型中[5]。慣性釋放是MSC/NASTRAN中的高級運用，對于船舶結(jié)構強度的有限元直接計算具有很強的實際意義。

3.3計算載荷

(1)本船在營運中主要由舷外水壓力和固定壓載引起船體彎曲變形。舷外水壓力可以根據(jù)“規(guī)范1”、《鋼質(zhì)內(nèi)河船建造規(guī)范》(2014)(以下簡稱“規(guī)范2”)中的規(guī)定進行計算。

根據(jù)“規(guī)范1”第2篇第1章第9節(jié)“結(jié)構強度直接計算”要求，船體所受的舷外水壓力包括海水靜壓力和海水動壓力。

海水靜壓力Phs按式(3)計算：

Phs=ρωg(d1-z)

(3)

式中：ρω為海水密度，ρω=1.025 t/m3；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；d1為計算工況下的吃水，d1=1.5 m；z為計算點至基線的垂向距離，m。

舷側(cè)水線處的海水動壓力Pw1應按式(4)計算：

Pw1=fr(2B0.66+3CCb+0.4d1)

(4)

式中：fr為航區(qū)系數(shù)，fr=0.8。

船底邊緣處(舭部)的海水動壓力PBS應按式(5)計算：

PBS=Pw1-1.2d1

(5)

船底中縱剖面處的海水動壓力PBC應按式(6)計算：

PBC=0.5(Pw1-1.2d1)

(6)

水線面以下任意點的海水動壓力Phd應按式(7)計算：

Phd=Pw1+(PBS-Pw1)(1-z/d1)+(PBC-

PBS)(1-2y/B)

(7)

式中：y為計算點距中縱剖面的距離，m。

水線面以上舷側(cè)外板上任意點的海水動壓力Phd應按式(8)計算：

Phd=Pw1-10(z-d1)

(8)

露天甲板的上浪載荷Pwdk應按式(9)計算，且不小于零：

Pwdk=Pw1-10(zdk-d1)

(9)

式中：zdk為露天甲板至基線的垂向距離，zdk=3 m。

根據(jù)以上公式，本文模型中以創(chuàng)建場的形式來加載海水靜壓力Phs=10 045(-1.5-z)；

水線面以下任意點的海水動壓力

Phd=12 708+1 200(3+z)+1 694.267y

(左舷)；

Phd-y=12 708+1 200(3+z)+1 694.267(-y)

(右舷)；

水線面以上舷側(cè)外板上任意點的海水動壓力Phd=12 215-10 000z；

露天甲板的上浪載荷Pwdk=12 215 N。

根據(jù)穩(wěn)性計算書中的滿載工況下的燃油壓載和水壓載的計算如下：

① 燃油艙壓載為：-8 330(2.818-(3+z-0.8))；

②壓載水艙1水壓載：-9 800(3.06-(3+z))；

③壓載水艙2水壓載：-9 800(3.05-(3+z))；

④壓載水艙3水壓載：-9 800(1.848-(3+z))。

滿載工況下穩(wěn)性計算中的重量重心表見表1。

表1　重量重心表

(2)根據(jù)“規(guī)范2”第1篇14.3.4的規(guī)定，本船可假定處于A級航區(qū)，則舷外水壓力分布函數(shù)按照“等效設計波”的概念進行加載分析，取波長為船長，波浪分布為余弦波。本文考慮波長沿船長方向時的中拱波浪。

波高按照式(10)計算：

he=αw(29 593-120.89L+0.223 21L2)×10-4

(10)

式中：αw為航區(qū)波高修正系數(shù)，取A級航區(qū)，αw=10。

經(jīng)計算，he=2.136 m。

近似取余弦波公式為：

(11)

式中：ξ為波高值，m；he為波高，m；x為計算點距離船中的距離，m。

其他燃油壓載和水壓載方法同上。

在有限元模型中，船體結(jié)構重量通過對材料施加密度并對整個模型施加重力載荷的方法施加到計算模型中。舷外水壓力、壓載水和燃油壓載，分別以面壓力載荷的形式施加于相應的艙室結(jié)構和外板有限元單元上。

4結(jié)果分析

全船采用普通鋼，其材料屈服強度為235 MPa，許用正應力取235 MPa，剪切應力取94 MPa。本文中采用的2種舷外水壓力的加載方法得到的全船應力大小值均滿足規(guī)范許用值要求。根據(jù)“規(guī)范1”的要求所得板單元最大應力值為119 MPa，根據(jù)“規(guī)范2”所得最大應力值為130 MPa；“規(guī)范1”要求所得全船骨材的最大值為112 MPa，“規(guī)范2”所得值為164 MPa，兩值相差較小。2種加載方法得到的全船應力分布如圖3～圖10所示。

圖3　“規(guī)范1”所得全船板材最大應力值

圖4　“規(guī)范2”所得全船板材最大應力值

圖5　“規(guī)范1”所得全船板材剪切應力值

圖6　“規(guī)范2”所得全船板材剪切應力值

圖7　“規(guī)范1”所得全船骨材最大應力值

圖8　“規(guī)范2”所得全船骨材最大應力值

圖9　“規(guī)范1”所得全船骨材剪切應力值

圖10　“規(guī)范2”所得全船骨材剪切應力值

全船各結(jié)構構件的最大相當應力σe和剪切應力τ匯總見表2。

表2　構件許用應力及其計算結(jié)果

5結(jié)論

(1)80 m躉船的全船結(jié)構強度滿足規(guī)范要求。2種方法計算所得應力最大值均分布在甲板開口處，基本上由應力集中造成的應力值偏大。

(2)本文根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》和《鋼質(zhì)內(nèi)河船建造規(guī)范》中規(guī)定的2種舷外壓載水公式進行加載，通過有限元分析得到的應力結(jié)果相近，表明采用以上方法能夠有效分析全船結(jié)構強度。

(3)本文躉船估算的剖面模數(shù)和慣性矩不滿足規(guī)范要求，但采用本文有限元分析方法得到的全船結(jié)構強度是足夠的，所以在今后實際設計過程中遇到船型尺度比超出規(guī)范要求時，可以借鑒本文的有限元分析方法來驗證全船結(jié)構強度。

參考文獻：

[1]王杰德,楊永謙. 船體結(jié)構強度與結(jié)構設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[2]羅秋明.超大型礦砂船全船結(jié)構強度計算及內(nèi)部貨物載荷分布研究[D].上海：上海交通大學,2010.

[3]吳恒林.內(nèi)河集裝箱船彎扭強度分析[J].中國水運，2014(31)：1-3.

[4]張少雄,楊永謙. 船體結(jié)構強度直接計算中慣性釋放的應用[J].中國艦船研究，2006(1)：58-61.

[5]張少雄,楊永謙.慣性釋放在油船結(jié)構強度直接計算中的應用[J].船海工程,2004,33(4):4-6.

中圖分類號：U661.43

文獻標志碼：A

作者簡介：譚慧娟(1988—)，女，助理工程師，主要從事船舶結(jié)構設計工作；宋健(1976—)，男，高級工程師，主要從事船舶結(jié)構設計工作；丁宇翔(1987—)，男，工程師，主要從事土木工程結(jié)構設計工作。

收稿日期：2015-08-09