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