李 強，劉少元，劉 陽，張 朝，蒙嘉琿

(北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100011)

多功能船主吊機區(qū)域局部強度計算

李 強，劉少元，劉 陽，張 朝，蒙嘉琿

(北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100011)

多功能船是為了滿足海洋工程的發(fā)展需要所產(chǎn)生的特種工程船舶，實現(xiàn)了工程經(jīng)濟性與工程實用性的密切結(jié)合。借助有限元軟件對多功能船主吊機區(qū)域局部結(jié)構(gòu)進行分析，描述建立這種復雜不規(guī)則模型時需要運用的技巧，建立多功能船主吊機區(qū)域局部結(jié)構(gòu)有限元模型，闡述多功能船主吊機區(qū)域局部結(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。所得到的多功能船主吊機區(qū)域局部結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果對同類型船舶的吊機區(qū)域局部結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度分析有一定的參考價值。

多功能船；主吊機區(qū)域局部結(jié)構(gòu)；有限元；結(jié)構(gòu)強度

0 引 言

海洋工程多功能船（Multi-Purpose Vessel，MPV）是為了滿足海洋工程的發(fā)展需要所產(chǎn)生的特種工程船舶。通過多年的發(fā)展，MPV實現(xiàn)了工程經(jīng)濟性與工程實用性的密切結(jié)合，以出色的設(shè)計指標和性能備受船東青睞。目前在該類船型最發(fā)達的歐美國家，尤其是美國、挪威等國，正逐步將該領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢進一步擴大[1]。

我國水下工程的發(fā)展時間較短，目前通過租賃和購買可以解決一部分的水下工程作業(yè)需要，但由于國內(nèi)不具備此類船型的開發(fā)與設(shè)計能力，因此受制于船舶租賃商，往往付出較高昂的代價。通過改裝或利用常規(guī)三用工作船作為水下工程作業(yè)載體，又受制于船舶性能與作業(yè)環(huán)境的不匹配，大大減少了作業(yè)能力。因而充分了解現(xiàn)今此類船舶的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，對于扭轉(zhuǎn)這一被動落后的局面，研制具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的能夠趕超國際先進水平的MPV有著重要的現(xiàn)實意義。

有限單元法作為一種有效的數(shù)值模擬方法，目前已廣泛應(yīng)用于眾多工程領(lǐng)域，如機械、土木、船舶、航空、航天等[2]。近幾年隨著我國船舶工業(yè)的迅猛發(fā)展，伴隨著一些新船型、新材料的出現(xiàn)和應(yīng)用，有限元分析方法迅速成為船舶設(shè)計和解決超出規(guī)范公式計算適用范圍船舶的主要工具。本文對多功能船主吊機區(qū)域局部結(jié)構(gòu)按照中國船級社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》[3]（2007）有關(guān)章節(jié)進行有限元計算分析。

1 多功能船主吊機區(qū)域局部結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

1.1 船體基本結(jié)構(gòu)說明

本船是帶首側(cè)推、伸縮式全回轉(zhuǎn)推進器，由柴油機電力推進系統(tǒng)驅(qū)動全回轉(zhuǎn)定螺距舵槳裝置的海洋工程支持船?？稍诖蠖鄶?shù)氣候狀況下作業(yè)并且具有極好的操縱性、耐波性和定位能力。主尺度及主要參數(shù)見表1。

表1 主尺度及主要參數(shù)值Tab. 1 Main dimensions and main parameter values

1.2 模型范圍

縱向：FR22～FR67；

橫向：船中至右舷邊線；

垂向：船底甲板至主甲板。

僅模型化船體結(jié)構(gòu)的右舷，圖1給出了有限元模型整體和局部細節(jié)圖。

圖1 有限元模型圖Fig. 1 The FE model

1.3 坐標系

模型的坐標系取右手坐標系。模型總體坐標系的原點位于橫剖面FR0、水平基線平面和船寬中線的交點處；X軸沿船體縱向指向船首；Y軸沿船寬方向指向左舷側(cè)；Z軸沿船體垂向從船底指向主甲板。

1.4 單元

按照本船的型線、各構(gòu)件設(shè)計尺寸、板厚、截面、開孔等，建立結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，模型中主要采用以下2種單元：

殼單元（Shell）。模擬甲板、舷側(cè)外板、內(nèi)殼板、船底板、橫艙壁等板殼結(jié)構(gòu)，船底縱桁、實肋板，舷側(cè)縱桁、甲板縱桁、強橫梁、主肋骨等強構(gòu)件的腹板以及較大的肘板。殼單元主要采用四邊形矩形單元，網(wǎng)格大小以縱骨間距和肋距為基準，邊長比不超過1∶2。

梁單元（Beam）。模擬各種梁結(jié)構(gòu)的縱骨、橫梁、普通肋骨、艙壁加強筋、支柱、桁架等桿件結(jié)構(gòu)，以及縱桁、強框架等強構(gòu)件的面板和肘板的折邊等。梁單元在模型中依殼單元的邊界建立，同時按照設(shè)計圖紙考慮各個構(gòu)建的實際截面、方向和偏心。

模型中對結(jié)構(gòu)進行適當簡化，忽略小肘板等。這些簡化，一是基于對結(jié)果的極小影響，一是基于保守的考慮，如小肘板的省略[4]。有限元網(wǎng)絡(luò)的劃分采用肋骨間距尺寸單元，局部地區(qū)近似為100 mm。

1.5 材料參數(shù)

楊氏模量：E=2.06×103 MPa，

泊松比：γ=0.3，

質(zhì)量密度：ρ=7.85×10–6kg/mm3。

2 載荷計算施加

2.1 載荷

在吊機下的艙段上選取恰當?shù)奈恢煤头绞剑虞d總體載荷與局部載荷，包括垂向彎矩、舷外水壓力與液艙液體壓力等[5]。

根據(jù)吊機制造商的信息，載荷作用在距主甲板1 300 mm的吊機底座上，載荷值如表2所示。

表2 計算所取的載荷Tab. 2 The load of calculation

2.2 邊界條件

邊界條件的假定應(yīng)以不影響模型中心所考察單元的計算結(jié)果為原則[6]。一般可考慮設(shè)置自由支持或固支，模型實際的邊界條件如表3所示。

2.3 計算工況

主吊機可以360°旋轉(zhuǎn)，所以主吊機的支撐結(jié)構(gòu)所承受的載荷按30°或45°旋轉(zhuǎn)變化，計算工況如圖2所示[7]。

表3 計算所取的邊界條件Tab. 3 The boundary condition of calculation

圖2 計算工況Fig. 2 The calculation condition

3 強度評估

3.1 強度評估標準

根據(jù)相關(guān)圖紙，多功能船主吊機區(qū)域鋼材材料包括CCS-A和CCS-36，再參考《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》[8]與《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》（2007），屈服強度評估標準如表4所示。

表4 規(guī)定的許用應(yīng)力值（N/mm2）Tab. 4 The allowable stress values (N/mm2)

屈曲強度評估中，屈曲安全因子λ應(yīng)為板格臨界屈曲應(yīng)力與計算所得的實際壓應(yīng)力之比，其計算值如表 5 所示[9]。

表5 λ計算值Tab. 5 Calculated value of λ

3.2 屈服強度評估

利用有限元軟件，對多功能船主吊機區(qū)域局部結(jié)構(gòu)模型進行了上文所述16種工況的分析計算，各工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力詳細結(jié)果如表6和表7所示。

各工況結(jié)果云圖如圖3～圖8所示。

3.3 屈曲強度評估

多功能船主吊機區(qū)域局部結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的屈曲強度評估結(jié)果如表8所示。

表6 最大應(yīng)力值 CCS-36（N/mm2）Tab. 6 Maximum stress value CCS-36 (N/mm2)

表7 最大應(yīng)力值CCS-A（N/mm2）Tab. 7 Maximum stress value CCS-A (N/mm2)

圖3 工況6—VON MISE力云圖（CCS-36）Fig. 3 Von-mises stress plot for condition 6 (CCS-36)

圖4 工況12—VON MISE力云圖（CCS-A）Fig. 4 Von-mises stress plot for condition 12 (CCS-A)

圖5 工況10—正應(yīng)力云圖（CCS-36）Fig. 5 Normal stress plot for condition 10 (CCS-36)

圖6 工況12—正應(yīng)力云圖（CCS-A）Fig. 6 Normal stress plot for condition 12 (CCS-A)

圖7 工況10—剪應(yīng)力云圖（CCS-36）Fig. 7 Shear stress plot for condition 10 (CCS-36)

圖8 工況12—剪應(yīng)力云圖（CCS-A）Fig. 8 Shear stress plot for condition 12 (CCS-A)

3.4 計算結(jié)果分析及強度評估

通過計算，獲得了多功能船主吊機區(qū)域局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平與應(yīng)力分布。CCS-36級鋼的最大VON MISE力出現(xiàn)在工況6，其值為240 MPa；最大正應(yīng)力出現(xiàn)在工況10，其值為112 MPa；最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在工況10，其值為114 MPa。CCS-A級鋼的最大VON MISE力出現(xiàn)在工況12，其值為102 MPa；最大正應(yīng)力出現(xiàn)在工況12，其值為230 MPa；最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在工況12，其值為141 MPa。并通過校核，多功能船主吊機區(qū)域局部結(jié)構(gòu)滿足屈曲強度要求。

表8 板格屈曲校核結(jié)果Tab. 8 Results of buckling check

4 結(jié) 語

本課題采用局部結(jié)構(gòu)三維有限元直接計算方法對多功能船主吊機區(qū)域局部結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)強度分析，按照中國船級社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》（2007）有關(guān)章節(jié)校核了該局部結(jié)構(gòu)的強度，通過對計算結(jié)果的分析和比較，可以得出：多功能船主吊機區(qū)域局部結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范的要求，從而滿足作業(yè)工況的安全使用。由于分析的船型原因，在網(wǎng)格劃分上存在有邊長接近細化網(wǎng)格50 mm的單元存在，這些較小的網(wǎng)格在應(yīng)力集中、肘板趾端等處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力均為偏高值，但這些對實際是偏安全的。

[1]彭小佳, 羅勇, 朱為全, 等. 海洋工程多功能船發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢研究[J]. 中國海洋平臺, 2015, 30(3): 1–6.

PENG Xiao-jia, LUO Yong, ZHU Wei-quan, et al. Ocean engineering multi-purpose vessel development status and trends[J]. China Offshore Platform, 2015, 30(3): 1–6.

[2]熊志鑫. 船舶結(jié)構(gòu)有限元建模與分析[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 2014.

XIONG Zhi-xin. Finite element modeling and analysis of ship structure[M]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University Press,2014.

[3]中國船級社. 船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范(2007)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007.

China Classification Society. Rules for lifting appliances of ships and offshore installations(2007)[M]. Beijing: People's Communication Press, 2007.

[4]袁培銀, 趙宇, 雷林, 等. 散貨船船體貨艙段強度的有限元計算分析[J]. 重慶理工大學學報: 自然科學. 2016, (2): 53–57.

YUAN Pei-yin, ZHAO Yu, LEI Lin, et al. Strength analysis of bulk carrier part-cabin based on finite element method[J].Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science). 2016, (2): 53–57.

[5]張曉君, 謝永和, 應(yīng)業(yè)炬. 八千噸級散貨船吊機結(jié)構(gòu)強度分析[J]. 造船技術(shù), 2007(2): 33–35.

ZHANG Xiao-jun, XIE Yong-he, YING Ye-ju. Structural strength analysis of eight thousand ton bulk carrier crane[J].Marine Technology, 2007(2): 33–35.

[6]丁宏, 陳美霞, 魏建輝, 等. 艙段截斷時邊界條件的選取方法[J]. 艦船科學技術(shù). 2014, (2): 44–48.

DING Hong, CHEN Mei-xia, WEI Jian-hui, et al. Selection and method of boundary conditions in the cabin segment truncation[J]. Ship Science and Technology. 2014, (2): 44–48.

[7]鄧賢鋒, 陳東昌, 陶付文, 等. 自升式鉆井船吊機基座設(shè)計及結(jié)構(gòu)強度分析[J]. 中國造船, 2009, 50(z11): 307–312.

DENG Xian-feng, CHEN Dong-chang, TAO Fu-wen, et al.Base design and structural strength analysis of self elevating drilling ship crane[J]. Shipbuilding of China, 2009, 50(z11):307–312.

[8]中國船級社. 鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范(2015)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2015.

China Classification Society. Ship specification of classification & shipbuilding(2015)[M]. Beijing: People's Communication Press, 2015.

[9]洪英, 初艷玲. 船體結(jié)構(gòu)屈曲強度評估方法的規(guī)范研究及應(yīng)用[J]. 船舶與海洋工程, 2010(3): 4–8.

HONG Ying, CHU Yan-ling. Rules research and application of the method for evaluating the buckling strength of ship hull structure[J]. Naval Architecture and Ocean Engineering,2010(3): 4–8.

[10]陳會庭, 王媛媛. 多用途供應(yīng)船屈曲與極限強度分析研究[J].船舶工程, 2011(z1): 175–177.

CHEN Hui-ting, WANG Yuan-yuan. Analysis and research on buckling strength and ultimate strength of supply vessel[J].Ship Engineering, 2011(z1): 175–177.

Finite element analysis of area under main crane of multi-purpose vessel

LI Qiang, LIU Shao-yuan, LIU Yang, ZHANG Zhao, MENG Jia-hui
(COTEC Offshore Engineering Services (Beijing), Beijing 100011, China)

Multi-purpose vessel is to meet the needs of the development of marine engineering, special engineering ships, to achieve a close combination of engineering economics and engineering practicality. Area under main crane is analyzed. It describes some useful techniques while building complex and irregular models, a area under main crane FE model is setup, a method of the area under main crane FE analysis is described, and it also discusses the force conversion while applying displacement and force to moles. The proposed method can be used for the design and strength analysis of the ship of area under main crane.

multi-purpose vessel；area under main crane；finite element；structural strength

U661.4

A

1672 – 7649(2017)10 – 0061 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.011

2016 – 11 – 02；

2016 – 12 – 05

國家科技重大專項資助項目(2011ZX 05027-005)

李強(1981 – )，男，工程師，主要從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物強度分析方面的研究。