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        某科考船起重設(shè)備甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與探討

        2017-02-08 01:05:42高海軍張重洋徐幼娟
        江蘇船舶 2017年6期
        關(guān)鍵詞:有限元結(jié)構(gòu)

        余 倩,范 銘,高海軍,張重洋,徐幼娟,葉 帆

        (武漢船舶設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北武漢430064)

        0 引言

        某科學(xué)考察船甲板上安裝的液壓折臂吊機(jī)主要用于布放回收科考作業(yè)設(shè)備及輔助工作艇。液壓折臂吊的工作特點(diǎn)是負(fù)載大、力臂長、作業(yè)海況復(fù)雜,導(dǎo)致其傾覆力矩和回轉(zhuǎn)力矩較大,往往對(duì)甲板及其支撐結(jié)構(gòu)有較高的強(qiáng)度要求[1-2]。隨著有限元分析方法的普及和應(yīng)用,船舶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析和計(jì)算校核也越來越多地采用有限元分析方法。張超[1]通過對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形結(jié)果進(jìn)行分析,確定主要破壞載荷和載荷傳遞的方式及強(qiáng)度不足的部位和原因。李強(qiáng)[2]闡述了甲板設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)有限元結(jié)構(gòu)分析方法,以及在加載過程中應(yīng)該注意的受力轉(zhuǎn)換。本文以某科學(xué)考察船為例,采用ANSYS有限元計(jì)算軟件,分析和探討甲板支撐結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)方案和效果,為科考船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

        1 船舶基本情況

        1.1 船舶主要參數(shù)

        總長 45.0 m

        船寬 8.4 m

        型深 4.0 m

        設(shè)計(jì)吃水 2.6 m

        肋骨間距 0.5 m

        1.2 參考規(guī)范

        本船結(jié)構(gòu)分析依據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2012)、《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》2014綜合文本、《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(2007)等。

        1.3 材料特性

        本文所涉及的主甲板結(jié)構(gòu)和船艉結(jié)構(gòu)的鋼材均為船用結(jié)構(gòu)鋼B級(jí),材料特性及屈服強(qiáng)度見表1。

        表1 船用鋼材料特性及屈服強(qiáng)度

        1.4 許用應(yīng)力

        按照《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》2014綜合文本第3.5.1.12條要求,在各種工況下,甲板支承結(jié)構(gòu)(船體用結(jié)構(gòu)鋼B級(jí))的計(jì)算應(yīng)力應(yīng)不大于表2中的許用值。

        表2 結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力

        2 無加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的艙段模型計(jì)算

        2.1 艙段模型

        由于吊機(jī)中心位于Fr16橫艙壁上的甲板中線面內(nèi),所以局部強(qiáng)度計(jì)算模型根據(jù)Fr10至Fr22的船體結(jié)構(gòu)及吊機(jī)基座下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。在ANSYS三維笛卡爾坐標(biāo)系中建立起重設(shè)備甲板支撐結(jié)構(gòu)立體艙段(Fr10至Fr22)有限元計(jì)算模型。以平行基線850 mm的水平線與Fr10交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),船長方向?yàn)閄軸,正方向由船艉指向船首;艙寬方向?yàn)閅軸,正方向由船中指向左舷;型深方向?yàn)閆軸,正方向由基線指向甲板。計(jì)算中將甲板板及基座板、橫艙壁板和舷側(cè)外板、船底板均用Shell181板殼單元離散,將甲板、舷部外板、橫艙壁板以及船底板上的縱橫構(gòu)架均采用Beam188梁單元離散。

        立體艙段三維有限元計(jì)算模型如圖1所示。模型中單元總數(shù)6 478個(gè),其中Shell63單元4 429個(gè),beam188單元2 048個(gè),MASS21單元1個(gè)。

        圖1 有限元計(jì)算模型

        2.2 邊界條件

        根據(jù)實(shí)際情況,在Fr10船體結(jié)構(gòu)的邊緣與Fr22船體結(jié)構(gòu)的邊緣施加簡支邊界條件,具體情況見表3。表中,rot為自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

        表3 邊界條件表

        參考相關(guān)計(jì)算分析指南,還應(yīng)將起重吊機(jī)支撐中心建立1個(gè)獨(dú)立點(diǎn)MPC,將起重吊機(jī)基座下的有關(guān)節(jié)點(diǎn)的 ux,uy,uz,θx,θy,θz與其相關(guān)聯(lián),即建立剛性域,其模型圖如圖2所示。

        圖2 邊界條件和剛性域

        2.3 施加載荷

        根據(jù)起重設(shè)備廠商提供的主要性能參數(shù)及設(shè)計(jì)參數(shù),吊機(jī)中心高度為甲板以上5 000 mm。當(dāng)?shù)鯔C(jī)吊起2 t重物并以最大回轉(zhuǎn)半徑工作時(shí),液壓折臂吊機(jī)對(duì)甲板的最危險(xiǎn)作用力矩(顛覆力矩)Mmax為180 kN·m,對(duì)甲板最大壓力 Fzmax為 55.0 kN,此時(shí)作用在甲板上的最大回轉(zhuǎn)力矩M為30.0 kN·m,假設(shè)其作用于吊桿支撐中心獨(dú)立點(diǎn)MPC位置。鑒于吊機(jī)可以在360°范圍內(nèi)全回轉(zhuǎn),本文以3種極端工況來進(jìn)行分析。假定當(dāng)?shù)醣鄢蛴蚁希璝軸方向?yàn)?°作為第1種工況,第2種工況是吊臂轉(zhuǎn)向船艉,也就是與Y軸成90°的-X方向,而吊臂向后旋轉(zhuǎn)45°可作為第3種工況,其數(shù)值見表4。表中載荷位置見圖2。

        表4 3種工況計(jì)算載荷表

        2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

        計(jì)算結(jié)果見表5,應(yīng)力云圖如圖3~圖5所示。

        由表5可以看出,3種工況下立體艙段板單元的最大相當(dāng)應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力均滿足許用應(yīng)力要求;工況1和工況3下梁單元的最大相當(dāng)應(yīng)力滿足許用應(yīng)力要求,而工況2則超出許用范圍。

        由以上計(jì)算結(jié)果可以看出,工況2傾覆力矩沿船寬方向施加時(shí),在Fr13至Fr16和Fr16至Fr19甲板區(qū)域會(huì)產(chǎn)生很大的彎矩,而甲板橫向多為次要構(gòu)件,縱向主要構(gòu)件間距太大,甲板無加強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu),僅有交叉構(gòu)件承擔(dān)載荷作用,因此甲板產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)域,最大相當(dāng)應(yīng)力為156.82 MPa,已偏于危險(xiǎn);交叉構(gòu)件梁單元的相當(dāng)應(yīng)力值為223.36 MPa,大于梁單元許用應(yīng)力[σ],如果不進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)則可能對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞。

        3 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的模型計(jì)算和分析

        3.1 艙段模型和邊界條件

        由以上的計(jì)算和分析可以看出,立體艙段僅在工況2的載荷作用下,梁單元的相當(dāng)應(yīng)力大于許用應(yīng)力,不能滿足規(guī)范要求,因此,本文僅進(jìn)行工況2的計(jì)算和分析,邊界條件不變。3種工況下的板單元剪切應(yīng)力均已滿足規(guī)范要求。

        表5 典型工況下模型主要構(gòu)件計(jì)算結(jié)果

        圖3 甲板、橫艙壁、基座和梁單元的相當(dāng)應(yīng)力云圖(工況1)

        圖4 甲板、橫艙壁、基座和梁單元的相當(dāng)應(yīng)力云圖(工況2)

        圖5 甲板、橫艙壁、基座和梁單元的相當(dāng)應(yīng)力云圖(工況3)

        3.2 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案描述

        方案1:將甲板橫梁改為強(qiáng)橫梁,即將角鋼L75 mm×50 mm×5 mm改為⊥

        方案2:增加甲板縱桁的數(shù)量。

        方案3:將基座下甲板厚度增加至20 mm。

        方案4:在Fr15和Fr17船中各增加Ф108 mm支柱2根,支柱的上底座安裝在甲板中縱桁上,下底座安裝在中內(nèi)龍骨上。

        3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

        計(jì)算結(jié)果見表6,應(yīng)力云圖分別見圖6~圖9。

        圖6 甲板、橫艙壁、基座和梁單元的相當(dāng)應(yīng)力云圖(方案1)

        圖7 甲板、橫艙壁、基座和梁單元的相當(dāng)應(yīng)力云圖(方案2)

        圖8 甲板、橫艙壁、基座和梁單元的相當(dāng)應(yīng)力云圖(方案3)

        圖9 甲板、橫艙壁、基座和梁單元的相當(dāng)應(yīng)力云圖(方案4)

        由以上結(jié)果可以看出,方案3雖然增加了甲板厚度,但并未改變甲板和橫艙壁交叉構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式,因此對(duì)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度效果不明顯。甲板交叉構(gòu)件梁單元的相當(dāng)應(yīng)力為185.72 MPa,仍大于許用應(yīng)力[σ],且橫艙壁上的交叉構(gòu)件梁單元的相當(dāng)應(yīng)力為144.45 MPa,也偏于危險(xiǎn),方案3不可選用。但考慮幾種方案的相當(dāng)應(yīng)力分布情況,為防止基座肘板端部與船體甲板焊接處應(yīng)力集中而造成甲板破壞,基座下甲板還應(yīng)加厚2~3 mm。

        方案1將甲板橫梁改為強(qiáng)橫梁,看似并未對(duì)縱向加強(qiáng),但實(shí)際上,強(qiáng)橫梁與甲板縱桁形成了橫向的T型材箱體結(jié)構(gòu)。未作加強(qiáng)前,橫向次要構(gòu)件剖面模數(shù)和慣性矩與縱向主要構(gòu)件不匹配,而傾覆力矩通過基座主要傳遞到Fr15和Fr17甲板上,因此在Fr15和Fr17甲板中縱桁上形成高應(yīng)力點(diǎn)。經(jīng)方案1改進(jìn)結(jié)構(gòu),橫向和縱向均為主要構(gòu)件,剖面模數(shù)匹配,因此高應(yīng)力點(diǎn)消除,原本集中的應(yīng)力分散到周圍各個(gè)交叉點(diǎn),甲板交叉構(gòu)件的相當(dāng)應(yīng)力有明顯降低,在一定程度上起到加強(qiáng)甲板縱向結(jié)構(gòu)的作用,效果較顯著??紤]到實(shí)際施工時(shí),需特別注意一點(diǎn),如果艙段施工建造后再進(jìn)行更改,則較為費(fèi)工費(fèi)時(shí)。

        方案2增加甲板縱桁的數(shù)量,與強(qiáng)橫梁一起形成縱向的T型材箱式結(jié)構(gòu)。未作加強(qiáng)前,傾覆力矩通過基座主要傳遞到Fr15和Fr17甲板上,縱向主要構(gòu)件之間間距較大,產(chǎn)生的剖面慣性矩偏大,因此在Fr15和Fr17甲板中縱桁上形成高應(yīng)力點(diǎn)。方案2增加甲板縱桁數(shù)量后,縱向構(gòu)件間的跨距大大降低,甲板縱桁產(chǎn)生的剖面慣性矩降低,高應(yīng)力點(diǎn)消除,集中應(yīng)力分散。方案2增強(qiáng)了甲板縱向的承載能力,效果顯著,即使艙段已經(jīng)施工建造完成,也能快速進(jìn)行更改,施工難度小,可行性高,因此方案2可選。

        表6 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)模型主要構(gòu)件計(jì)算結(jié)果

        方案4采用2根支柱支撐在縱向構(gòu)件與橫向構(gòu)件的交叉點(diǎn)上。未作加強(qiáng)前,傾覆力矩通過基座主要傳遞到Fr15和Fr17甲板上,甲板構(gòu)件交叉點(diǎn)處于無支撐狀態(tài),承載長度和寬度較大,大面積的載荷集中在構(gòu)件交叉點(diǎn)上,產(chǎn)生高應(yīng)力點(diǎn)。在Fr15和Fr17船中增加支柱后,構(gòu)件交叉點(diǎn)被支柱支撐,承載的長度和寬度均大大降低,載荷面積減小,集中應(yīng)力分散。方案4增強(qiáng)甲板縱向的承載能力,效果顯著,且施工難度不大。結(jié)合本船的實(shí)際情況,在征得總體設(shè)計(jì)人員同意且不影響主機(jī)和軸系安裝的前提下,可行性高,因此方案4可選。

        4 結(jié)論

        (1)在可選的安裝范圍內(nèi),建議將甲板起重設(shè)備設(shè)置在垂向艙壁上。本文起重設(shè)備已經(jīng)確定安裝在有橫艙壁的甲板上,因此艙段結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)主要集中在縱向,也就是船長方向。

        (2)增加甲板縱桁數(shù)量和增加甲板下支柱2種方案能大幅提高艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,效果顯著,便于施工,在船舶設(shè)計(jì)中均可考慮。

        (3)由于本船F(xiàn)r16至Fr35甲板下為機(jī)艙區(qū)域,因此,增加支柱時(shí)還應(yīng)考慮施工是否方便,不能影響主機(jī)、軸系等重要設(shè)備的安裝。

        [1] 張超,紀(jì)肖,凌偉.起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].船海工程,2014,43(6):54-59.

        [2] 李強(qiáng).甲板設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算[J].中國水運(yùn),2013,13(6):84-86.

        [3] 呂厚波,冉建華.40 000 DWT散貨船錨機(jī)底座及支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].江蘇船舶,2014,31(1):1-3.

        [4] 酈羽,張海華,蔣武杰,等.錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析[J].船海工程,2015,44(1):37-39.

        [5] 楊高勝,屈平,謝永和.深水絞機(jī)甲板支撐結(jié)構(gòu)有限元結(jié)構(gòu)分析[J].中國水運(yùn),2010,10(12):110-111.

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