譚慧娟，宋　健，丁宇翔

(1.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇鎮(zhèn)江建工建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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80 m躉船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

譚慧娟1，宋健1，丁宇翔2

(1.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇鎮(zhèn)江建工建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要：針對(duì)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(guān)內(nèi)容，采用MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN有限元軟件，建立全船的結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行強(qiáng)度校核分析。結(jié)果表明，2種方法計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范中許用應(yīng)力衡準(zhǔn)要求，并且2種結(jié)果相差較小。該研究方法對(duì)同類問題具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：躉船；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；強(qiáng)度計(jì)算；有限元分析；慣性釋放

0引言

躉船是無動(dòng)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?？康摹案〈a頭”。近年來，港口貨物吞吐量、危險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)門限值，原有的小型巡邏艇已不能滿足使用。為更好適應(yīng)港區(qū)的開發(fā)和地方航運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，解決執(zhí)法人員辦公、生活和學(xué)習(xí)的需要，海事部門加大了大型巡邏艇的投入使用，因此建設(shè)80 m躉船浮碼頭可以填補(bǔ)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(jí)躉船基礎(chǔ)上全新設(shè)計(jì)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(duì)于船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析要求更加嚴(yán)格。但是，《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2014)對(duì)于海上躉船沒有詳細(xì)的規(guī)范要求，例如當(dāng)躉船尺度比超過規(guī)范中的要求時(shí)應(yīng)如何校核其總縱強(qiáng)度等，目前全船有限元直接計(jì)算是分析船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直觀而準(zhǔn)確的方法之一[2]。

1實(shí)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(jì)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(gè)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(gòu)，舷側(cè)采用橫骨架結(jié)構(gòu)。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(jì)算

2.1規(guī)范計(jì)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(guān)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(yīng)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(jì)算，W0=1.18×106cm3，I=2.82×106cm4。

2.2實(shí)船計(jì)算

本船的剖面模數(shù)采用海船Compass軟件計(jì)算，計(jì)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(guān)要求。根據(jù)“規(guī)范1”第2章第2節(jié)的相關(guān)要求，對(duì)于具有L/B≤5、B/D≥2.5中一個(gè)或者多個(gè)特征的船舶，應(yīng)采用直接方法計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，更能反映船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否足夠。

本文計(jì)算采用有限元分析軟件MSC/PATRAN、NASTRAN,對(duì)80 m躉船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核評(píng)估。本船選用的材料為碳素鋼，其泊松比為0.3，材料屈服強(qiáng)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(gòu)模型

本文在建立模型時(shí)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(qiáng)橫梁、縱桁、船底實(shí)肋板、艙壁垂直桁等強(qiáng)框架的腹板，用一維梁單元(beam)描述縱骨、橫梁、強(qiáng)框架面板等構(gòu)件，通過板梁單元組合的力學(xué)模型描述整船的結(jié)構(gòu)。計(jì)算時(shí)，一般采用強(qiáng)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(tái)和艙壁上的小開口等[3]。有限元模型的坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)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(biāo)原點(diǎn)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(gòu)有限元模型如圖2所示。

圖2　全船結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2邊界條件

由于船舶結(jié)構(gòu)具有較為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，直接計(jì)算時(shí)，有限元模型中的節(jié)點(diǎn)數(shù)、單元數(shù)量龐大，載荷計(jì)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(gòu)處于“全自由”狀態(tài)，在進(jìn)行有限元靜力分析時(shí)，采用慣性釋放，去掉支座，消除約束點(diǎn)的反力對(duì)變形和應(yīng)力狀態(tài)的影響，并且使得斷面剪力可以施加到計(jì)算模型中[5]。慣性釋放是MSC/NASTRAN中的高級(jí)運(yùn)用，對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元直接計(jì)算具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

3.3計(jì)算載荷

(1)本船在營運(yùn)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(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)“規(guī)范1”第2篇第1章第9節(jié)“結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算”要求，船體所受的舷外水壓力包括海水靜壓力和海水動(dòng)壓力。

海水靜壓力Phs按式(3)計(jì)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(jì)算工況下的吃水，d1=1.5 m；z為計(jì)算點(diǎn)至基線的垂向距離，m。

舷側(cè)水線處的海水動(dòng)壓力Pw1應(yīng)按式(4)計(jì)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(dòng)壓力PBS應(yīng)按式(5)計(jì)算：

PBS=Pw1-1.2d1

(5)

船底中縱剖面處的海水動(dòng)壓力PBC應(yīng)按式(6)計(jì)算：

PBC=0.5(Pw1-1.2d1)

(6)

水線面以下任意點(diǎn)的海水動(dòng)壓力Phd應(yīng)按式(7)計(jì)算：

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

PBS)(1-2y/B)

(7)

式中：y為計(jì)算點(diǎn)距中縱剖面的距離，m。

水線面以上舷側(cè)外板上任意點(diǎn)的海水動(dòng)壓力Phd應(yīng)按式(8)計(jì)算：

Phd=Pw1-10(z-d1)

(8)

露天甲板的上浪載荷Pwdk應(yīng)按式(9)計(jì)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(chǎng)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(diǎn)的海水動(dòng)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(diǎn)的海水動(dòng)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(jì)算書中的滿載工況下的燃油壓載和水壓載的計(jì)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(jì)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(jí)航區(qū)，則舷外水壓力分布函數(shù)按照“等效設(shè)計(jì)波”的概念進(jìn)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(shí)的中拱波浪。

波高按照式(10)計(jì)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(jí)航區(qū)，αw=10。

經(jīng)計(jì)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(jì)算點(diǎn)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(gòu)重量通過對(duì)材料施加密度并對(duì)整個(gè)模型施加重力載荷的方法施加到計(jì)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(yīng)的艙室結(jié)構(gòu)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(qiáng)度為235 MPa，許用正應(yīng)力取235 MPa，剪切應(yīng)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(yīng)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(yīng)力值為119 MPa，根據(jù)“規(guī)范2”所得最大應(yīng)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(yīng)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(yīng)力值

圖4　“規(guī)范2”所得全船板材最大應(yīng)力值

圖5　“規(guī)范1”所得全船板材剪切應(yīng)力值

圖6　“規(guī)范2”所得全船板材剪切應(yīng)力值

圖7　“規(guī)范1”所得全船骨材最大應(yīng)力值

圖8　“規(guī)范2”所得全船骨材最大應(yīng)力值

圖9　“規(guī)范1”所得全船骨材剪切應(yīng)力值

圖10　“規(guī)范2”所得全船骨材剪切應(yīng)力值

全船各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大相當(dāng)應(yīng)力σe和剪切應(yīng)力τ匯總見表2。

表2　構(gòu)件許用應(yīng)力及其計(jì)算結(jié)果

5結(jié)論

(1)80 m躉船的全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。2種方法計(jì)算所得應(yīng)力最大值均分布在甲板開口處，基本上由應(yīng)力集中造成的應(yīng)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(jìn)行加載，通過有限元分析得到的應(yīng)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(gòu)強(qiáng)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(gòu)強(qiáng)度是足夠的，所以在今后實(shí)際設(shè)計(jì)過程中遇到船型尺度比超出規(guī)范要求時(shí)，可以借鑒本文的有限元分析方法來驗(yàn)證全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

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中圖分類號(hào)：U661.43

文獻(xiàn)標(biāo)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(gòu)設(shè)計(jì)工作；宋健(1976—)，男，高級(jí)工程師，主要從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；丁宇翔(1987—)，男，工程師，主要從事土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2015-08-09