湯在義,杜 斌
(揚(yáng)州市地方海事局,江蘇 揚(yáng)州 225009)
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集散兩用貨船艉部甲板局部強(qiáng)度有限元分析
湯在義,杜斌
(揚(yáng)州市地方海事局,江蘇 揚(yáng)州 225009)
摘要:集裝箱船艉部艙段強(qiáng)度校核是船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核中的重要組成部分,船舶發(fā)動(dòng)機(jī)等重要裝置都分布在艉艙段內(nèi)。在航行過(guò)程中集裝箱會(huì)垂向震蕩,極端情況下會(huì)影響艉部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能力并使其結(jié)構(gòu)失效,進(jìn)而對(duì)船舶造成毀滅性破壞。運(yùn)用有限元軟件Patran對(duì)78.2 m集散兩用貨船艉部艙段部分進(jìn)行建模研究,考慮2種集裝箱裝載工況:裝載重箱以及裝載空箱,根據(jù)規(guī)范要求施加了相關(guān)邊界條件,并根據(jù)規(guī)范許用應(yīng)力要求對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析,最終計(jì)算出來(lái)的結(jié)果表明本船艉部艙段結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度能夠滿足中國(guó)船級(jí)社的規(guī)范要求。
關(guān)鍵詞:集裝箱船;貨船;艉部;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;有限元分析
0引言
隨著世界經(jīng)濟(jì)全球化的不斷發(fā)展,國(guó)家之間的貿(mào)易往來(lái)也越來(lái)越頻繁,集裝箱船因其低廉的運(yùn)輸價(jià)格、高效的運(yùn)輸方式以及安全可靠性成為目前運(yùn)輸業(yè)的首選運(yùn)輸工具。近年來(lái)集裝箱船快速發(fā)展并趨于成熟,為了滿足新時(shí)代的新要求,現(xiàn)在集裝箱船正朝著集約化、大型化、信息化的趨勢(shì)發(fā)展,對(duì)于集裝箱船的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),這是一次新的挑戰(zhàn)。
由于集散兩用貨船一般采用大量的高強(qiáng)度鋼并且航速較快,在船體艙口處容易產(chǎn)生較大的變形,因此,需要重點(diǎn)考慮船體的總縱強(qiáng)度以及疲勞問(wèn)題。在設(shè)計(jì)之初必須對(duì)船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核,使船舶設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。集裝箱船艉部作為船舶最重要的部分,因船舶動(dòng)力裝置及其他眾多重要設(shè)施都匯聚于此,因此必須充分保證其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及安全性。在有限元軟件應(yīng)用之前,船舶設(shè)計(jì)人員憑借自身經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)?,F(xiàn)在,隨著大型有限元分析軟件逐漸趨于成熟與完善,使得結(jié)構(gòu)優(yōu)化更趨于科學(xué)化。 本文運(yùn)用有限元軟件Patran對(duì)78.2 m集散兩用貨船艉部艙段部分進(jìn)行建模研究,參照規(guī)范要求研究了2種工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況。
1主要尺度及其他參數(shù)
78 m集散兩用貨船主要尺度:總長(zhǎng)78.20 m,垂線間長(zhǎng)75.20 m,型寬15.80 m,型深5.80 m,設(shè)計(jì)吃水4.90 m,裝箱量272 TEU。
本船是按吃水4.90 m設(shè)計(jì)的鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)船舶并且船體結(jié)構(gòu)符合中國(guó)船級(jí)社的要求。船體結(jié)構(gòu):艏部、艉部舷側(cè)部分、機(jī)艙舷側(cè)均采用橫骨架式結(jié)構(gòu),貨艙舷側(cè)、貨艙雙層底區(qū)域、機(jī)艙甲板均采用縱骨架式結(jié)構(gòu);全船肋距為600 mm,中內(nèi)龍骨及甲板縱桁間距為1 575 mm或1 600 mm,縱骨間距為525 mm,抗扭箱縱骨間距為550、500 mm。結(jié)構(gòu)布置:本船的貨艙區(qū)域采用雙層底結(jié)構(gòu)布置,其高度900 mm,雙舷側(cè)、雙甲板、邊甲板的寬度均為1 600 mm,艏、艉2部分均為單層底、單舷側(cè),機(jī)艙為單層底雙舷側(cè),貨艙布置間距為1 800 mm的強(qiáng)肋骨,艏艉及機(jī)艙舷側(cè)為強(qiáng)弱交替結(jié)構(gòu)形式,貨艙區(qū)域舷側(cè)采用主肋骨結(jié)構(gòu)形式。
如圖1為集裝箱裝載模式三維動(dòng)畫模型圖。
圖1 集裝箱裝載三維動(dòng)畫模型圖
2有限元模型
2.1結(jié)構(gòu)模型
有限元模型的范圍:縱向的范圍從艉封板到Fr23肋位,寬度方向上的模型范圍為整個(gè)型寬,高度方向上的模型范圍是從距基線1 900 mm處到甲板板。其中,甲板、艙壁以及集裝箱底腳墊角等平板板材結(jié)構(gòu)采用2維shell單元模擬單元模擬,甲板上的縱桁及橫梁等使用2維shell單元來(lái)模擬,面板用1維bar單元模擬;其他小的支柱及骨材等用1維bar單元模擬。有限元模型的材料參數(shù):本船艉部艙段結(jié)構(gòu)采用普通235鋼,其彈性模量E=2.06×1011Pa,泊松比v=0.3。坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)系,船艉指向船首方向?yàn)閄正方向,Y正方向從左舷指向右舷,垂直向上為Z的正方向。模型長(zhǎng)度以及力學(xué)單位為m和N。艉部艙段模型見(jiàn)圖2、圖3。
圖2 艉部模型
圖3 艉部模型(仰視)
2.2邊界條件
邊界條件:在艉部艙段的四周限制其移動(dòng),在艉部艙段的底部限制其移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)。其邊界條件如圖4所示。
圖4 艉部模型邊界條件
2.3計(jì)算工況及載荷
2.3.1計(jì)算工況
根據(jù)集裝箱裝載布置圖的說(shuō)明及實(shí)際裝載狀態(tài),本船需考慮表1中的2種工況。表中,空箱重量2.5 t,重箱重量14 t。
表1 計(jì)算工況
2.3.2計(jì)算載荷
根據(jù)集裝箱裝載布置的要求,應(yīng)計(jì)算艉部艙段集裝箱箱角處的集中應(yīng)力,但在實(shí)際裝載過(guò)程中集裝箱的力不是均勻分布在整個(gè)集裝箱底部,而是均勻分布于集裝箱4個(gè)角與艉部甲板接觸的箱腳上。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范修改通報(bào)》(2015)第14章“結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算補(bǔ)充規(guī)定”中第7節(jié)“局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算”的規(guī)定,可以計(jì)算出2種工況下集裝箱箱角處的集中應(yīng)力。
F1=1 000g(W1+W2)/4
F2=4×1 000gW1/4
式中:F1為工況1集裝箱箱角處集中應(yīng)力,MPa;F2為工況2集裝箱箱角處集中應(yīng)力,MPa;g為重力加速度,m/s2;W1為重箱重量,t;W2為空箱重量,t。
2.3.3載荷加載方式
將各工況下的集裝箱載荷加到對(duì)應(yīng)的集裝箱底腳墊角處,施加載荷后的模型如圖5~圖6所示。
圖5 工況1艉部甲板箱角集中應(yīng)力示意圖
圖6 工況2艉部甲板箱角集中應(yīng)力示意圖
3結(jié)果分析
艉部艙段結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力見(jiàn)表2,艉部艙段最大形變見(jiàn)表3。
表中,工況1與工況2板系最大合成應(yīng)力出現(xiàn)在甲板板上的集裝箱墊腳處,梁系最大組合應(yīng)力出現(xiàn)在甲板縱桁腹板處。工況1與工況2最大變形出現(xiàn)在甲板板上的集裝箱墊腳處。
表2 船艉艙段結(jié)構(gòu)應(yīng)力
表3 船艉艙段最大變形匯總
艉部艙段模型結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖以及形變圖如圖7~圖10所示。
圖7 工況1合成應(yīng)力云圖
4結(jié)論
(1)78.2 m集散兩用貨船艉部結(jié)構(gòu)在上述2種不同工作載荷下的強(qiáng)度滿足規(guī)范強(qiáng)度衡準(zhǔn),艉部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)符合規(guī)范的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。
(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,該船艉部艙段局部結(jié)構(gòu)的最大工作應(yīng)力出現(xiàn)在甲板處,且最大變形也出現(xiàn)在甲板集裝箱箱腳處。
(3)計(jì)算分析的過(guò)程表明,正確的模型、合理的網(wǎng)格劃分、科學(xué)的載荷計(jì)算、加載方法以及正確的約束條件是有限元計(jì)算的保證。
(4)本船艉部甲板局部強(qiáng)度滿足中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2012)及《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范修改通報(bào)》(2014)及《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范修改通報(bào)》(2015)第14章“結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算補(bǔ)充規(guī)定”中的相關(guān)要求。
圖8 工況2合成應(yīng)力云圖
圖9 工況1變形云圖
圖10 工況2變形云圖
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中圖分類號(hào):U661.43
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
作者簡(jiǎn)介:湯在義(1972—),男,助理工程師,主要從事船檢工作。
收稿日期:2015-11-04