張博宇++孫聰

[摘 要]為了對船體結(jié)構(gòu)局部強度進行加強設(shè)計，必須要用到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計算分析軟件。本文探討了運用AVL-EXCITE軟件進行強度校核的原理和方法，通過對計算結(jié)果的分析，進行有針對性的加強措施，使得船體結(jié)構(gòu)在滿足強度的前提下進行優(yōu)化。

中圖分類號：U6 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）11-0038-01

引言

當前，各類型船舶的結(jié)構(gòu)主要是依照各國船舶檢驗部門、船級社頒發(fā)的相應(yīng)的入級與建造規(guī)范進行設(shè)計與計算的。但是為保證船體結(jié)構(gòu)的安全性，各國規(guī)范所要求的條目繁多，從而使得設(shè)計的過程中的計算量十分龐大，很大程度上降低了設(shè)計工作的效率。同時，船舶檢驗在對于船舶進行入級審查時，也必須按照規(guī)范的要求進行逐條進行檢驗船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計是否合理，因此工作流程是相當繁瑣與復(fù)雜的。另一方面，船舶作為一種在海上航行的結(jié)構(gòu)物，需要面對復(fù)雜的海洋環(huán)境，船體強度比較要全方位加強。因此，船體結(jié)構(gòu)強度顯得尤為重要。但是從另一個角度講，為了提高船舶的經(jīng)濟性與機動性，船體結(jié)構(gòu)在加強同時重量必須盡可能的輕，結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸盡可能的小。因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化是十分必要且亟待研究的。另外結(jié)構(gòu)優(yōu)化從解決減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量擴展到降低應(yīng)力水平、優(yōu)化結(jié)構(gòu)剛度、增加強度性能和提高安全壽命等諸多方面。

目前各大船廠主要用的是ANSYS， ABAQUS， FEMAP+NX NASTRAN等結(jié)構(gòu)分析軟件。這些軟件功能強大，但仍有各自的缺點和操作繁瑣的特點。為了能針對不同的結(jié)構(gòu)分析選取適宜的軟件，本文探討了如何運用AVL-EXCITE進行船體結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計。

1 多體動力學(xué)理論基礎(chǔ)

本文主要部分為AVL-EXCITE程序中多體動力學(xué)模型的建立與分析。AVL-EXCITE是發(fā)動機設(shè)計專用的多體動力學(xué)分析程序，它建立的多體模型包括彈性體和非線性連接單元。

鑒于求解問題的大型化，在AVL-EXCITE中采用子結(jié)構(gòu)模型建立船體軸系數(shù)值分析模型。方便起見，建立3個坐標系來構(gòu)建系統(tǒng)模型，即全局坐標系（X，Y，Z），用于描述各彈性體全局運動，為靜止坐標系；當?shù)刈鴺讼担╔′，Y′，Z′），隨各體全局運動一起運動；局部坐標系（X′′，Y′′，Z′′），為子結(jié)構(gòu)單元bi的坐標系。

子結(jié)構(gòu)bi承受內(nèi)、外力/力矩作用，子結(jié)構(gòu)運動服從動量定理和角動量定理。

其中，為已知力/力矩，為約束力/力矩，為坐標變換產(chǎn)生的非線性項，為位移向量，為質(zhì)量矩陣，為剛度矩陣，為阻尼矩陣.

其中，和為結(jié)構(gòu)阻尼和頻率的函數(shù)。各體全局運動可用向量和角速度表示.

其中，為不同坐標系下動量方程，為作用在體上外載之和，為作用在體上約束載荷之和，為坐標變換產(chǎn)生的非線性項。

其中，、為常數(shù)矩陣，為已知外力矩，為約束力矩。方程（1—4）為非封閉方程，只有已知連接件傳遞的力和力矩，上述方程才為封閉方程。

連接件的作用是在彈性件之間傳遞力和力矩，典型的連接件有主軸承等.

其中，為潤滑油膜厚度，m；為油膜壓力，Pa；為流體動力角速度，rad/s；為潤滑油粘度，Pa.s；為周向方向；為寬度方向。

對于彈性體直接接觸的區(qū)域，要定義接觸表面粗糙度及接觸區(qū)彈性模量.

其中，為船體表面粗糙度，μm；為軸瓦表面粗糙度，μm.

分別為船體和軸承材料的泊松比；分別為船體和軸承材料的彈性模量，N/mm2。

通過上述數(shù)學(xué)模型，建立起船體系統(tǒng)多體動力學(xué)數(shù)值分析模型。連接體的作用力和力矩作為彈性體的約束力和力矩，而彈性體的作用力及變形作為連接體流體動力分析的邊界條件，進行迭代求解，從而解決了連接體與彈性體之間的耦合關(guān)系。

2 計算資料

該船為鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)，單甲板、單底，混合骨架型式，機動甲板船。主甲板結(jié)構(gòu)、船底結(jié)構(gòu)為混合骨架式，舷側(cè)結(jié)構(gòu)、縱橫艙壁為橫骨架式。共有175個肋位，間距625mm，3道縱艙壁，間距為8米，6道橫艙壁，甲板結(jié)構(gòu)中設(shè)有甲板縱桁、縱骨和強橫梁，縱橫艙壁上設(shè)有扶強材，船體內(nèi)部設(shè)有大量柱子和撐桿做支撐.

3 建立船體模型

3.1 概況

本文采用110m總長，14000t駁船為例。船體構(gòu)件的有限元網(wǎng)格沿船體縱向按肋距劃分，沿船體橫向肋骨間距劃分。模型中甲板、舷側(cè)、縱橫艙壁、尾封板以及甲板縱桁、強橫梁腹板等強構(gòu)件采用四節(jié)點殼單元，甲板縱骨、縱橫艙壁上的扶強材以及起支撐作用的柱子、斜撐等構(gòu)件采用桿單元模型。模型的端部和底部所有節(jié)點剛性固定。

3.2 工況定義

擬定該船裝載三種不同長度和重量的橋梁構(gòu)件，本文定義三種工況進行強度校核。

4 結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力結(jié)果

從中看出甲板在裝載185m橋梁構(gòu)件時，距離船中左右4000mm、 Fr1～Fr6和Fr170～Fr175處甲板縱桁和甲板橫梁應(yīng)力過大，這是因為橋梁構(gòu)件在甲板兩端部的載荷過大，而且橋梁構(gòu)件過長在裝載時，在甲板上的落腳點為一個點，該落腳點沒有在甲板縱桁和橫梁交叉的部位或者底部沒有設(shè)置柱子作為支撐，甲板沒有足夠的強度抵抗上部的集中載荷，故產(chǎn)生了應(yīng)力集中，應(yīng)力過大。

4.2 加強方案

針對上述甲板縱桁和甲板橫梁不滿足強度要求而且出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，筆者設(shè)計一種加強方案，使得艏艉兩端集中載荷位于強構(gòu)件上，具體方案：在Fr2、Fr3、Fr6、Fr170、Fr173和Fr174兩旁縱艙壁之間加設(shè)強橫梁，T型材尺寸為，考慮艏艉受集中載荷大，在Fr2、Fr3和Fr173、Fr174所加的甲板強橫梁和縱桁交叉部位設(shè)置支柱作為支撐，柱子尺寸為，艏艉結(jié)構(gòu)加強方案如圖9所示。

4.3 優(yōu)化結(jié)果

從中可以看出甲板應(yīng)用筆者設(shè)計的加強方案后，位于甲板兩端的集中力得到有效分配，沒有產(chǎn)生應(yīng)力集中，甲板縱桁和橫梁應(yīng)力分別降低了133.4MPa和110.4MPa，低于規(guī)范中許用應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。該加強方案使用材料少、施工方便可行、效果明顯，建議采取該方案施工。

5 結(jié)論

船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計、校核、優(yōu)化系統(tǒng)開發(fā)呈現(xiàn)大型化、自動化、復(fù)雜化的趨勢，也正因為如此，才使得船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計、校核、優(yōu)化軟件系統(tǒng)功能越來越強大。本實例證明，不同于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析軟件，AVL-EXCITE也可以滿足船體結(jié)構(gòu)強度的計算分析要求，為各大船廠和科研機構(gòu)提供了另一種分析工具。

參考文獻

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