熊寶權(quán) 王 杰 張少雄 朱 凌

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心1) 武漢 430064) (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2) 武漢 430063)

0 引 言

目前，船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算的應(yīng)用越來越廣泛，全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算在船體設(shè)計(jì)中發(fā)揮越來越重要的作用[1-2].

在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算過程中， 載荷計(jì)算和施加方式尤為重要，施加的載荷及約束方式不同將直接導(dǎo)致應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的差異，進(jìn)而影響直接計(jì)算的準(zhǔn)確性[3-4].

在進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算時(shí)，在文獻(xiàn)[5-6]里一般對(duì)于基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)等局部強(qiáng)度直接計(jì)算的相關(guān)規(guī)定都是采用包含基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)在內(nèi)的局部模型，模型范圍一般是前后延伸到橫艙壁，左右延伸到舷側(cè)或者縱艙壁，上下延伸到甲板或者平臺(tái)，并對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化；在模型上只是施加局部載荷；在艙壁或者舷側(cè)處施加自由支持邊界條件，進(jìn)行局部強(qiáng)度直接計(jì)算和評(píng)估.

實(shí)際上，基座等局部結(jié)構(gòu)承受的不僅僅是局部結(jié)構(gòu)所受的局部載荷，還有總縱載荷,因此，僅僅施加局部載荷，忽略總縱載荷對(duì)局部強(qiáng)度計(jì)算的影響是比較粗糙的做法.

1 本文方法

在文獻(xiàn)[6]中也有考慮總縱載荷下的局部強(qiáng)度計(jì)算相關(guān)規(guī)定：對(duì)于船中0.4L參與總縱強(qiáng)度的縱向支撐構(gòu)件，校核時(shí)除了滿足局部強(qiáng)度要求外，還應(yīng)校核在局部載荷和總縱載荷共同作用下的強(qiáng)度.然而此規(guī)定并沒有考慮總縱剪力的影響，而且整個(gè)艙段模型中總縱彎矩在各剖面均是一個(gè)恒定值.

參考HCSR剪力彎矩調(diào)整方法，本文提出了一種新的計(jì)及總縱載荷作用局部強(qiáng)度直接計(jì)算方法,簡述如下：建立含所關(guān)注的局部結(jié)構(gòu)在內(nèi)的艙段模型，通過端面施加的彎矩和各強(qiáng)肋位處垂向構(gòu)件(縱艙壁和垂向外板等)上施加的垂向節(jié)點(diǎn)力(剪力)來模擬艙段結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的剪力彎矩分布，然后施加局部載荷及邊界條件，進(jìn)行計(jì)及總縱載荷的局部強(qiáng)度直接計(jì)算.

以某打撈船起重機(jī)基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，采用相同的計(jì)算模型、局部載荷和邊界條件，分別采用規(guī)范方法和本文的方法施加總縱載荷，對(duì)比直接計(jì)算的評(píng)估范圍內(nèi)相同單元應(yīng)力結(jié)果的大小，分析兩種總縱載荷施加方法對(duì)局部強(qiáng)度直接計(jì)算結(jié)果的差異.

2 計(jì)算分析

2.1 理論分析

從理論上分析：①所關(guān)注的局部結(jié)構(gòu)(特別是船中區(qū)域內(nèi))中的船體縱向構(gòu)件如主甲板和縱艙壁，是要承受總縱載荷的，總縱載荷所引起的應(yīng)力并不是定值，計(jì)及總縱載荷的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果肯定會(huì)更加準(zhǔn)確，尤其是對(duì)于縱向支撐構(gòu)件;②參考HCSR彎矩剪力調(diào)整方法，在強(qiáng)肋位垂向構(gòu)件上依據(jù)板厚不同分配剪力，并結(jié)合端面彎矩剪力一起可以很好地模擬艙段范圍內(nèi)的總縱剪力和彎矩分布，同時(shí)考慮各種局部載荷，因此載荷處理方式是合理的.

2.2 數(shù)值驗(yàn)證

2.2.1結(jié)構(gòu)模型

以某打撈船為例，建立包含起重機(jī)基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的艙段有限元模型.模型范圍為前后各延伸一個(gè)艙至橫艙壁處，左右為整個(gè)型寬，上下為整個(gè)型深，同時(shí)，按照規(guī)范要求，對(duì)起重機(jī)基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元網(wǎng)格細(xì)化，見圖1.

圖1 基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)模型

2.2.2計(jì)算工況及局部載荷

依據(jù)打撈船的工作模式(工作環(huán)境條件，吊臂仰角和起升載荷大小)，參照文獻(xiàn)[6]的相關(guān)規(guī)定，分析計(jì)算起重機(jī)受到的設(shè)計(jì)載荷，并對(duì)載荷進(jìn)行合理組合篩選出較危險(xiǎn)的計(jì)算工況.共選取了兩種典型的工作模式，即吊臂伸長為15 m，起升載荷大小為500 kN；吊臂伸長為30 m，起升載荷大小為300 kN.選取吊臂朝向船尾和朝向右舷及中間狀態(tài)(相差45°)三種回轉(zhuǎn)角度，同時(shí)考慮船舶的三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(橫搖運(yùn)動(dòng)，縱搖運(yùn)動(dòng)和組合運(yùn)動(dòng))，共計(jì)18種計(jì)算工況.見表1.

按照文獻(xiàn)[6]，計(jì)算起重機(jī)自重，起升載荷，回轉(zhuǎn)慣性力，船舶運(yùn)動(dòng)慣性力和風(fēng)載荷等五類起重機(jī)外載荷，并將局部載荷等效到起重機(jī)重心處，通過MPC將載荷傳遞到起重柱圍壁上，便于施加局部載荷.

2.2.3總縱載荷載荷計(jì)算和施加

參照文獻(xiàn)[5]計(jì)算艙段模型范圍內(nèi)各剖面的波浪彎矩剪力，并疊加艙段模型自重及浮力等載荷，最終得到各剖面的總縱載荷彎矩和剪力值.

依據(jù)本文的方法，總縱載荷是通過端面彎矩剪力和強(qiáng)框架肋位處垂向構(gòu)件上節(jié)點(diǎn)力施加在艙段模型上.因此，首先需要計(jì)算得到各強(qiáng)框架肋位上施加的剪力值，然后根據(jù)肋位處垂向構(gòu)件板厚不同將剪力施加到不同板厚處的節(jié)點(diǎn)上.本次計(jì)算通過PCL語言編程實(shí)現(xiàn)這一過程[7].

表1 起重機(jī)載荷組合計(jì)算工況

//對(duì)垂向構(gòu)件依據(jù)板厚不同進(jìn)行分組

au_create_group_by_property.main2( 2, ["p_14"], TRUE, "All", "", 0, ["empty"], "Multiple Groups", "", "prefix", "prop." )

//提取強(qiáng)肋位剖面上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組

list_create_node_att_value( [27600., 0., 0., 0., 0., 0.], [TRUE, FALSE, FALSE], ["equal", "equal", "equal"], [0.005, 0.005, 0.5], "Coord 0", "lista", uil_list_create_current_list)

//對(duì)上述分組取交集得到不同板厚上節(jié)點(diǎn)編號(hào)并分組

group2=group(i)//str_substr(group1(j),3,3)

uil_list_boolean.create("and")

list_save_group( "listc", group2, FALSE)

//統(tǒng)計(jì)強(qiáng)肋位剖面不同板厚節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)(剔除不同板厚連接處的節(jié)點(diǎn))得到節(jié)點(diǎn)力大小

db_count_nodes_in_group(group_id,num_node)

//施加節(jié)點(diǎn)力

loadsbcs_create2(group(i), "Force", "Nodal", "", "Static", @node_se, "FEM", "Coord 0","1", field_name, ["", ""])

施加總縱載荷后，由軟件導(dǎo)出的起重機(jī)基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)(編號(hào)為0)附近肋位彎矩剪力值與規(guī)范計(jì)算目標(biāo)值的差異見表2.由表2可知，由端面彎矩剪力和強(qiáng)框架肋位施加的垂向節(jié)點(diǎn)力一起擬合的總縱彎矩剪力與目標(biāo)值之間的數(shù)值差異在0.5%以內(nèi)，在允許的誤差范圍內(nèi).

表2 基座附近肋位彎矩剪力值差異

依據(jù)文獻(xiàn)[6]里的方法，選取起重機(jī)基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)模型中心所對(duì)應(yīng)的橫剖面位置處的某一工況下的彎矩目標(biāo)值，這里取按規(guī)范計(jì)算基座中心處剖面的彎矩值，施加在模型兩端.

2.2.4直接計(jì)算結(jié)果對(duì)比

采用相同的有限元計(jì)算模型，施加相同的局部載荷及邊界條件，分別使用上述兩種方法施加總縱載荷，進(jìn)行總縱載荷作用下的局部強(qiáng)度直接計(jì)算.各工況下評(píng)估區(qū)域內(nèi)基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的相當(dāng)應(yīng)力值對(duì)比見表3.

表3 兩種方法下評(píng)估區(qū)域相當(dāng)應(yīng)力比較

由表3可知，兩種施加總縱載荷方法，所得的局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值絕大部分在5.5%以內(nèi)，應(yīng)力分布基本類似，而且最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置相同.以下是選取LC_151_90_1工況下橫艙壁構(gòu)件，對(duì)比兩種總縱載荷施加方法下的應(yīng)力云圖，見圖2.

圖2 橫艙壁板相當(dāng)應(yīng)力云圖(MPa)

由圖2可知，采用的這兩種直接計(jì)算方法，在計(jì)算起重機(jī)基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí)，評(píng)估區(qū)域的相當(dāng)應(yīng)力峰值相差不大，出現(xiàn)的位置也大致相同，由此可見，本文提供的方法是可靠的.

對(duì)于局部構(gòu)件兩種直接計(jì)算方法下各工況下的應(yīng)力峰值及差異見表4～5.

表4 兩種方法下評(píng)估區(qū)域短橫向支撐構(gòu)件相當(dāng)應(yīng)力比較

相應(yīng)的評(píng)估區(qū)域內(nèi)短的橫向支撐構(gòu)件及短的縱向支撐構(gòu)件的板單元相當(dāng)應(yīng)力云圖見圖3～4.

由圖4～5可知，采用兩種方法下，起重機(jī)局部短的縱向及橫向構(gòu)件的相當(dāng)應(yīng)力峰值位置相差不大，但是應(yīng)力峰值差異比較大，大約為18%.本文總體載荷施加方法能更加真實(shí)模擬起重機(jī)附近肋位的彎矩剪力分布，因此本文方法的短的縱向及橫向構(gòu)件的應(yīng)力更加真實(shí)可信.

表5 兩種方法下評(píng)估區(qū)域短縱向支撐構(gòu)件相當(dāng)應(yīng)力比較

圖3 短橫向構(gòu)件相當(dāng)應(yīng)力云圖(MPa)

圖4 短縱向構(gòu)件相當(dāng)應(yīng)力云圖(MPa)

3 結(jié) 束 語

采用相同的有限元計(jì)算模型，施加相同的局部載荷及邊界條件，分別采用本文方法和規(guī)范方法施加總縱載荷，進(jìn)行總縱載荷作用下的局部強(qiáng)度直接計(jì)算.

對(duì)比兩種方法下應(yīng)力結(jié)果可知，兩種施加總縱載荷的方法雖有所不同，但是各工況下局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值相差不大，絕大部分工況的應(yīng)力峰值差異在5.5%以內(nèi)，而且由應(yīng)力云圖可知，兩種計(jì)算方法下局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布基本類似.本文提出的總縱載荷下局部強(qiáng)度直接計(jì)算方法是合理的，可以用于實(shí)際工程計(jì)算.

對(duì)于局部結(jié)構(gòu)短的縱向及橫向支撐構(gòu)件，規(guī)范方法和本文方法的應(yīng)力峰值差異比較大，但是應(yīng)力分布類似，如果只是得到局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值及分布，規(guī)范方法和本文方法都可，規(guī)范方法更加簡單；如果是要得到局部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的詳細(xì)應(yīng)力峰值及應(yīng)力分布，本文提供的方法更加真實(shí)可信.

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