崔宏林，王金鑫，全春典

（1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧葫蘆島125000；2.渤海船舶職業(yè)學院,遼寧興城125105；3.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東廣州510715）

在船舶改裝施工時，常常會有在甲板上加裝設備的需求，為保證設備正常工作并確保加裝船及甲板操作人員的安全，需要對加裝后的甲板強度及總縱強度做精確的計算并校核。

有限元法是一種基于變分原理的把連續(xù)體離散化的數(shù)值解法，具有適應性強、效能高等優(yōu)點。有限元法的實質是把求解區(qū)域分為有限個單元，通過每個單元承載模式和變形情況精確模擬求出某個關心構件或區(qū)域的實際變形與應力。隨著CAD/CAM/CAE的推廣，以有限元法為核心的通用結構分析軟件得到廣泛應用。

通過對需要在甲板上臨時增加兩型設備的某型船強度計算總結，介紹應用有限元法進行船甲板局部結構強度校核計算方法，為在甲板上有加裝設備需求的船舶改裝工作提供參考。

1 某型加裝船及設備概況

該船要求在主甲板上增加A、B兩型設備，A型設備在首部及尾部左右舷對稱布置，基座中心位于船首、尾主甲板距中約3 000 mm處；B型設備在中部左右舷對稱布置，基座中心位于中部主甲板距中約3 500 mm。

原船主甲板材料為B級鋼，屈服極限σS＝235 MPa，此處構件規(guī)格如表1所示；設備A基座及其加強結構和設備B基座安裝板均采用Q235 鋼，屈服極限σS＝235 MPa。

表1 主甲板構件規(guī)格

2 強度校核計算

2.1 計算依據(jù)

2.1.1 參考圖紙

某型船基本結構圖；兩型設備（設備A、設備B） 加裝基座圖。

2.1.2 兩型設備布置的位置

由于不同位置的甲板結構其承力能力不同，建議兩型設備按表2位置布置，作為有限元建模的位置依據(jù)。

表2 兩型設備的位置建議

2.1.3 材料許用應力

根據(jù)中國船級社《船體結構強度直接計算指南》 （2001） 規(guī)定，船體結構強度直接計算中采用相當應力（或稱Von Mises應力，以σe表示）來衡量應力的許用程度。該指南中規(guī)定，船體甲板板材料的許用應力為σe=175 MPa（甲板材料屈服極限為235 MPa）。

2.2 有限元模型

本文采用由點到線、由線到面的自上向下的建模方法，分別建立船體結構有限元模型和基座有限元模型，并分別賦材料屬性（圖1分別為首部A型設備有限元模型、中部B型設備有限元模型和尾部A型設備有限元模型），然后通過裝配功能對船體結構模型和基座模型進行組裝，建立裝配結構模型，通過設置tie接觸使得船體結構模型和基座模型連成一體，最后設置邊界條件，邊界條件為四周剛固，支柱處施加垂向約束。

圖1 設備有限元模型

2.3 載荷計算

設備A載荷為設備重量和后坐力；設備B載荷為設備重量。設備A質量為固定值；后坐力為動載荷，隨時間變化而變化，本船在計算時取動載荷中的最大值，這樣使得計算結果偏于安全，如圖2所示。

圖2 設備A工作時的后坐力載荷

2.4 應力計算結果

2.4.1 艏部加裝的A型設備應力計算

圖3分別為艏部甲板基座、艏部甲板板和艏部甲板加強筋的應力云圖，根據(jù)應力云圖，艏部甲板基座結構的最大正應力σmax＝117.7 MPa，艏部甲板板的最大正應力σmax＝94.10 MPa，艏部甲板加強筋的最大正應力σmax＝111.3 MPa，以上三個最大正應力值均不大于材料許用應力[σe]=175 MPa，滿足要求。

圖3 艏部甲板構件應力云圖

2.4.2 中部加裝的B型設備應力計算

圖4分別為中部甲板基座、中部甲板板和中部甲板加強筋的應力云圖，根據(jù)應力云圖，中部甲板基座結構的最大正應力σmax＝76.89 MPa，中部甲板板的最大正應力σmax＝51.10 MPa，中部甲板加強筋的最大正應力σmax＝50.72 MPa，以上三個最大正應力值均不大于材料許用應力[σe]=175 MPa，滿足要求。

圖4 中部甲板構件應力云圖

2.4.3 尾部加裝的A型設備應力計算

圖5分別為艉部甲板基座、艉部甲板板和艉部甲板加強筋的應力云圖，根據(jù)應力云圖，艉部甲板基座結構的最大正應力σmax＝117.7 MPa，艉部甲板板的最大正應力σmax＝36.10 MPa，艉部甲板加強筋的最大正應力σmax＝81.66 MPa，以上三個最大正應力值均不大于材料許用應力[σe]=175 MPa，滿足要求。

圖5 艉部甲板構件應力云圖

2.5 計算結果匯總

兩型設備各項目最大正應力計算結果匯總如表3所示。結果表明，設備A和B基座及其加強結構的強度滿足規(guī)范要求。

表3 計算結果匯總

3 結論

本文按GJB 4000-2000《艦船通用規(guī)范》要求，建立主甲板板架三維有限元模型，依據(jù)設備加裝情況進行結構建模，采用有限元軟件對甲板局部結構強度進行校核計算，結果表明，設備A和B基座及其加強結構的強度滿足規(guī)范要求。

本設計方法已在某型船改裝工作中實際應用，施工后設備運行正常而穩(wěn)定，證明了本計算方法的合理性及計算結果的正確性。在供同類改裝設計參考時，特提出如下建議：考慮A型設備的動載荷對基座及其加強結構的疲勞強度有可能帶來影響，因此應采取適當增加基座下加強材厚度、沿使用時后坐力的方向增加肘板、在基座下安裝面積略大于基座的墊板等安全措施。

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