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        集裝箱船典型艙口蓋定位銷支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析簡化方法

        2018-08-27 08:29:38,,,,
        船海工程 2018年4期
        關(guān)鍵詞:經(jīng)驗(yàn)有限元結(jié)構(gòu)

        ,,,,

        (中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院, 上海 200011)

        集裝箱船在航行的過程中,由于船體的橫搖及縱搖運(yùn)動(dòng),艙口蓋會(huì)有相對于主船體的滑動(dòng),定位銷的作用就是抑制這種相對運(yùn)動(dòng)。他們之間的相互作用可以簡化為以下過程:艙口蓋上所系固的貨物和艙口蓋由于船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的橫向力和縱向力,通過定位銷把載荷傳遞到艙口圍結(jié)構(gòu)及定位銷支撐結(jié)構(gòu)上,設(shè)計(jì)過程中需要根據(jù)載荷大小合理設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)形式和尺寸[1]。目前規(guī)范中還沒有關(guān)于定位銷支撐結(jié)構(gòu)板厚的計(jì)算公式,隨著集裝箱船尺度[2]與甲板上集裝箱堆重[3]的逐漸增大,傳遞到定位銷上的載荷也在增大,對于20 000 TEU級的集裝箱船,定位銷所承受的載荷可以達(dá)到500 kN左右。目前在設(shè)計(jì)過程中,往往只能根據(jù)定位銷載荷參照母型船進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),利用有限元分析計(jì)算來校核構(gòu)件尺寸。由于定位銷附件艙口蓋墊塊及綁扎橋立柱的加強(qiáng)較多,建立細(xì)網(wǎng)格模型費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為此,考慮通過有限元分析的方法,對現(xiàn)有定位銷支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,歸納出支撐結(jié)構(gòu)板厚、最大應(yīng)力及載荷之間的經(jīng)驗(yàn)公式,并通過實(shí)船數(shù)據(jù)對公式進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出新型的支撐結(jié)構(gòu)形式,總結(jié)出該支撐形式的經(jīng)驗(yàn)公式,為今后的定位銷支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        1 典型定位銷支撐結(jié)構(gòu)形式

        集裝箱船典型定位銷支撐結(jié)構(gòu)見圖1,主要包括艙口圍頂板的嵌入厚板ttop(頂板),橫艙壁的嵌入厚板ty(橫向板)和沿船長方向的縱向板tx。設(shè)計(jì)中這3個(gè)板厚往往取值相同。

        圖1 集裝箱船典型定位銷支撐結(jié)構(gòu)示意

        2 定位銷的載荷

        根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范 第二分冊》第2.20.2.9小節(jié)中的第(2)點(diǎn)[4],定位銷上2個(gè)方向(y為橫向,x為縱向)的力的取值分別為

        Fx=0.2mgFy=0.5mg

        式中:m為艙口蓋上所系固貨物的質(zhì)量和艙口蓋的質(zhì)量總和;g為重力加速度。

        實(shí)際上艙蓋非定位銷的一端設(shè)有橫向限位裝置,承受一半的橫向載荷。因此,作用在定位銷上的力實(shí)際取為Fx=0.2mg,Fy=0.25mg。于是,F(xiàn)y與Fx的比值為1.25。

        關(guān)于后續(xù)計(jì)算中載荷的選取,依據(jù)某超大型集裝箱船上的定位銷結(jié)構(gòu),選為

        Fx=3 200 kN,F(xiàn)y=4 000 kN。

        從圖1可以發(fā)現(xiàn),定位銷高于艙口圍板的部分可以大概分為上半部的圓臺(tái)和下半部的圓柱部分,圓臺(tái)的主要作用是在艙口蓋裝載時(shí)起導(dǎo)向作用,在航行過程中,與艙口蓋結(jié)構(gòu)并無接觸。而下半部分的圓柱在艙口蓋運(yùn)動(dòng)時(shí)起限位作用,承受主要的載荷,考慮到定位銷本身的剛度極大以及高度很小,加載方式可以近似為集中力的形式,施加的位置在定位銷圓柱部分的一半高度處。

        3 板厚與最大應(yīng)力及載荷間的關(guān)系

        板厚t和最大應(yīng)力σ關(guān)系為[5]

        tn·σ=C

        (1)

        式中:n為需要根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)歸納出的常數(shù);C為與結(jié)構(gòu)本身以及載荷相關(guān)的常數(shù)。

        考慮結(jié)構(gòu)與載荷的線性關(guān)系,在某一固定板厚下最大應(yīng)力值應(yīng)該與外力成正比,即

        σ=αFx+βFy=K0Fy

        (2)

        由此,將式(1)變化為

        tn·σ=KFy

        (3)

        式中:K為只與結(jié)構(gòu)本身屬性相關(guān)的常數(shù),K=K0tn。

        4 典型定位銷支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

        有限元模型中,定位銷使用體單元模擬,艙口圍結(jié)構(gòu)使用板單元模擬,見圖2。

        體單元和板單元的連接的處理方式是在連接處的體單元內(nèi)建立重復(fù)的板單元,根據(jù)以往的計(jì)算經(jīng)驗(yàn),由于定位銷的剛度很大,重復(fù)的板單元對定位銷與艙口圍結(jié)構(gòu)間的應(yīng)力傳導(dǎo)影響很小。

        按照典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,艙口圍頂板、橫向板和縱向板分別取12、23、35 mm 3個(gè)不同板厚進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明:

        1)頂板和橫向板的應(yīng)力峰值水平接近,差距約為10%;

        2)縱向板應(yīng)力峰值僅為頂板的30%~50%,且應(yīng)力集中現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重,只有與定位銷連接的周圍5個(gè)單元有較大應(yīng)力,其他部分應(yīng)力很小。

        由此認(rèn)為,在以往的設(shè)計(jì)中,將縱向板厚度的取值與其他2板相同會(huì)導(dǎo)致材料的大量浪費(fèi)。考慮到頂板和橫向板的應(yīng)力峰值差距僅為10%,可以將這2塊板的厚度保持一致。

        將橫向板和頂板厚度分別取12、 23、35 mm,對這3種厚度分別讓縱向板厚度從12到35 mm變化,計(jì)算結(jié)果見圖3。

        圖3 合成應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

        根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果得到如下結(jié)論。

        1)橫向板和頂板厚度越大,縱向板厚度的變化對他們的應(yīng)力峰值影響越小??疾鞕M向板和頂板厚度最小的情況(12 mm),隨著縱向板厚度的增大,應(yīng)力峰值僅僅減小了4.5%。而隨著橫向板和頂板厚度的增大,上述變化幅度將更小。因此認(rèn)為,縱向板厚度的變化對其他2板應(yīng)力峰值并無影響。

        2)橫向板和頂板是主要受力結(jié)構(gòu),決定著結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的分布。

        任取1個(gè)縱向板厚度,針對不同的橫向板和頂板厚度進(jìn)行有限元計(jì)算,最后歸納板厚與應(yīng)力關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。采取偏于保守的做法,取縱向板厚度為12 mm,這時(shí)橫向板和頂板中應(yīng)力峰值最大,然而至多只比最小值大4.5%。橫向板和頂板的取值范圍為12~35 mm,計(jì)算結(jié)果見表1。

        表1 定位銷典型支撐結(jié)構(gòu)板厚經(jīng)驗(yàn)公式常數(shù)歸納

        (4)

        在使用式(4)時(shí),需要首先得知定位銷的載荷,然后確定σtop,在有限元分析中使用的是50 mm×50 mm的網(wǎng)格。由于目前并沒有統(tǒng)一的集裝箱船有限元分析的規(guī)范,因此,在實(shí)船設(shè)計(jì)過程中可以參考共同規(guī)范HCSR中關(guān)于局部結(jié)構(gòu)細(xì)網(wǎng)格分析的相關(guān)要求[6],σtop最大可以取為1.5Reh(Reh為材料的屈服強(qiáng)度)。

        為了驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式的適用性,選擇4型實(shí)船A、B、C、D結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算,其定位銷支撐結(jié)構(gòu)通過有限元計(jì)算,均可以滿足規(guī)范的要求,計(jì)算對比見圖4。

        圖4 板厚經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證

        由圖4可見,通過經(jīng)驗(yàn)公式得到的板厚接近實(shí)船設(shè)計(jì)的板厚,差值小于5%,滿足工程應(yīng)用要求。

        5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化形式及板厚經(jīng)驗(yàn)公式

        典型定位銷支撐結(jié)構(gòu)中縱向板應(yīng)力較小,且應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯,因此,對典型的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,將原先位于橫艙壁間縱向板的尺寸大幅減小,直接采用肘板形式而不再向相鄰艙壁延伸,見圖5。

        圖5 優(yōu)化后的縱向板結(jié)構(gòu)示意

        針對以上優(yōu)化設(shè)計(jì)方案重復(fù)與經(jīng)典結(jié)構(gòu)相同的有限元計(jì)算分析過程,得到優(yōu)化結(jié)構(gòu)頂板板厚的經(jīng)驗(yàn)公式

        (4)

        由于縱向板面積大幅減小,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式頂板和橫向板的板厚略有增加,達(dá)到7%,但相較縱向板減小的重量與頂板和橫向板增加的重量,優(yōu)化結(jié)構(gòu)仍可以起到減重的作用。

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