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        基于AQWA的某深海功能船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

        2015-12-25 05:05:24旭,李
        船舶職業(yè)教育 2015年4期
        關(guān)鍵詞:示意圖波浪重量

        劉 旭,李 軍

        近年來,海洋石油的勘探技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,勘探工作已達(dá)到或超過3 000米水深的超深水區(qū)域。本文采用有限元分析軟件ANSYS及水動力分析軟件AQWA對某深海功能船在靜水力及波浪彎矩作用下的強(qiáng)度進(jìn)行初步估算。

        1 船舶概況

        本船為雙螺旋槳、電力推進(jìn)、航行工況為無限航區(qū)的肥大型平底船。主甲板之下為船首、尾及貨物甲板區(qū)域。主甲板之上為首樓區(qū)域、船員居住區(qū)域(上層建筑一) 及施工人員居住區(qū)域(上層建筑二)。本船設(shè)有傾斜首柱、方尾,具有連續(xù)的主甲板。

        船總長約144.00 m,垂線間長約131.46 m,型寬40.00 m,型深10.75 m,設(shè)計(jì)吃水5.50 m,結(jié)構(gòu)吃水7.50 m,最大坐底作業(yè)水深9.50 m。

        2 建立坐標(biāo)系

        總體坐標(biāo)系以81號肋位的底部中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。X軸指向?yàn)榇追较?,Y軸指向?yàn)樽笙戏较颍琙軸指向?yàn)榇俺运叨确较?。坐?biāo)系示意圖如圖1所示。

        圖1 坐標(biāo)系示意圖

        3 有限元模型分析

        根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)圖紙資料進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模。船的甲板、舷側(cè)、底部、艙壁等板裝結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨等桁材結(jié)構(gòu)均采用板單元進(jìn)行建模,各種骨材均采用梁單元進(jìn)行建模。81號肋位的橫艙壁結(jié)構(gòu)及有限元模型的其他視圖如圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示。

        圖2 橫艙壁模型圖

        圖3 有限元模型局部視圖

        圖4 有限元模型單艙段視圖

        圖6 船尾放大圖

        模型建好后,按照圖紙為各個(gè)板和線設(shè)定相應(yīng)的屬性。對板單元采用shell63單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,梁單元采用beam188單元進(jìn)行劃分。有限元模型的主體網(wǎng)格尺寸設(shè)定為1.4 m,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行細(xì)化,如吊機(jī)擱架處。有限元模型共包括節(jié)點(diǎn)7.869萬個(gè),單元13.618萬個(gè)。網(wǎng)格劃分如圖7所示。

        圖7 有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖

        4 載荷分析

        對整個(gè)船體進(jìn)行慣性釋放。計(jì)算工況根據(jù)所提供的重量重心計(jì)算表。按照所給的數(shù)據(jù)對燃油艙和壓載水艙進(jìn)行加載。壓載艙及燃油艙分布參考艙容圖及總布置圖,將每個(gè)艙中總的液體質(zhì)量均布在艙底的節(jié)點(diǎn)上,即給艙底的節(jié)點(diǎn)賦予質(zhì)量屬性MASS21,在艙壁處按深度施加梯度載荷。

        以自存工況為例進(jìn)行分析。自存工況吃水6米時(shí),不計(jì)及吊機(jī)作用。計(jì)算工況根據(jù)所提供的重量重心計(jì)算表,按照所給的數(shù)據(jù)對燃油艙和壓載水艙進(jìn)行加載。加載空船質(zhì)量中輪機(jī)專業(yè)重量、外舾專業(yè)重量、內(nèi)舾專業(yè)重量、管系專業(yè)重量及電氣專業(yè)重量,不計(jì)及吊機(jī)作用。對整個(gè)船體同樣賦予重量,及添加垂向的重力加速度g=9.8 m/s2。船體吃水6 m,波高8 m。采用AQWA-LINE軟件計(jì)算單位波高下,不同頻率、角度的波浪力,取迎浪時(shí)中拱和中垂兩種情況,通過AQWA-WAVE衍射到船體模型上,如圖8和圖9所示。

        圖8 自存吃水6 m中垂時(shí)的波浪力載荷示意圖

        圖9 自存吃水6 m中拱時(shí)的波浪力載荷示意圖

        風(fēng)載荷和流載荷根據(jù)風(fēng)載荷計(jì)算書和波流載荷計(jì)算書所給數(shù)據(jù),如表1所示。

        表1 風(fēng)力和波流力統(tǒng)計(jì)表

        根據(jù)迎浪時(shí)中拱和中垂兩種工況,加載在相對應(yīng)作用面的節(jié)點(diǎn)上,如圖10和圖11所示。

        圖10 自存吃水6 m迎浪時(shí)風(fēng)載荷示意圖

        圖11 自存吃水6 m迎浪時(shí)流載荷示意圖

        通常使用經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算作用在船上海流的力和力矩。在計(jì)算時(shí),可以使用船在靜水中估算船舶阻力的方法。Froude數(shù) 很小,以至于波浪阻力相對于黏性阻力可以完全被忽略。可用下述的近似公式計(jì)算:

        式中β——流速和縱向x軸之間的夾角(x軸的正向?yàn)榇卜较颍?/p>

        S——船的濕面積,且其中β取0度。

        5 結(jié)果分析

        由工況下分析可知,漂浮工況時(shí),主體部分中垂波浪彎矩下的最大應(yīng)力值約為172 Mpa,中拱波浪彎矩下的最大應(yīng)力值約為211 Mpa,均成云狀分布,船中處較大向兩側(cè)逐漸減小,應(yīng)力分布均勻。因?yàn)橹写箷r(shí),波浪力與首尾的壓載艙的壓力相抵消,因此應(yīng)力較小。坐底工況時(shí),主體部分的最大應(yīng)力177 Mpa。自存工況、航行工況時(shí),無吊機(jī)作業(yè),最大應(yīng)力值約為185 Mpa,各工況下的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力,符合結(jié)構(gòu)要求。在某些點(diǎn)由于結(jié)構(gòu)及加載的原因,應(yīng)力集中,但是也沒有超過200 Mpa,遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力,符合強(qiáng)度規(guī)范。內(nèi)部結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力較小??v骨最大應(yīng)力為188 Mpa左右,出現(xiàn)在約束處,符合規(guī)范要求。有少數(shù)部位應(yīng)力集中,不影響強(qiáng)度結(jié)果。

        [1]胡毅,胡紫劍,劉元丹,等.基于AQWA的大型LNG船碼頭系泊分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2012(2):70-73+110.

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