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        應(yīng)用ANSYS進(jìn)行集裝箱船導(dǎo)軌架預(yù)埋胎架的變形分析

        2019-01-11 08:32:22謝立榮
        廣東造船 2018年6期
        關(guān)鍵詞:胎架集裝箱船預(yù)埋

        謝立榮,張 浩

        (上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

        1 前言

        20 000TEU集裝箱船是上海外高橋造船有限公司承接的超大型集裝箱船新項(xiàng)目。該船作為國內(nèi)在建超大型集裝箱船,在首制船建造過程中不可控因素和未知的問題較多。為了保證建造質(zhì)量及建造周期,首先要確保項(xiàng)目能按既定的計(jì)劃進(jìn)行;其次對各項(xiàng)安全措施能夠得到有效落實(shí)。該船在建造過程中設(shè)計(jì)了各種多用途工裝,尤其在集裝箱導(dǎo)軌建造過程中,設(shè)計(jì)了專用建造工裝——導(dǎo)軌架預(yù)埋胎架。

        該船橫隔艙雙面均安裝有導(dǎo)軌,為了方便分段建造及減少翻身吊裝次數(shù),專門設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌架預(yù)埋胎架。與以往使用的胎架不同,導(dǎo)軌架預(yù)埋胎架使用與分段接觸的槽鋼用以支撐,由于安裝及精度測量需求,槽鋼胎架具有相當(dāng)?shù)母叨取?/p>

        有限元法是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值方法。求解時(shí)對整個(gè)區(qū)域進(jìn)行分解,每個(gè)子區(qū)域稱作有限元。它通過變分方法,使誤差函數(shù)達(dá)到最小值并產(chǎn)生穩(wěn)定解。有限元法將許多被稱為有限元的小區(qū)域上的簡單方程聯(lián)系起來,并用其估計(jì)更大區(qū)域上的復(fù)雜方程,對每一單元假定一個(gè)較簡單的近似解,然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件)從而得到問題的解。

        本文針對導(dǎo)軌架預(yù)埋胎架的變形原因進(jìn)行分析,并對部分胎架進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析,將理論和實(shí)際結(jié)合進(jìn)行對比。

        2 導(dǎo)軌架及預(yù)埋胎架

        集裝箱船箱格導(dǎo)軌架(簡稱導(dǎo)軌架)可以設(shè)置在艙內(nèi),也可能設(shè)置在露天甲板以上(一般很少采用)。在中大型集裝箱船上,艙內(nèi)堆放箱的層數(shù)可達(dá)6~8層,采用導(dǎo)軌架可以把集裝箱成堆的放入導(dǎo)軌架內(nèi),不需要緊固設(shè)備,也不需要綁扎和支撐。導(dǎo)軌架一般是永久性的固定在貨艙內(nèi),對集裝箱吊入吊出都十分方便,可以縮短集裝箱裝卸時(shí)間,提高裝卸效率[1]。

        導(dǎo)軌架安裝于橫隔艙分段上,為提高分段制作效率﹑減少翻身吊裝次數(shù),該船專門設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌架預(yù)埋胎架,如圖1所示。

        圖1 導(dǎo)軌架預(yù)埋胎架

        胎架主體使用20#槽鋼,材料為Q235-A。由于胎架有1.3 m的高度,所以增加斜撐用以增加剛度。

        3 預(yù)埋胎架變形原因分析

        預(yù)埋胎架作為船體分段裝配的工裝設(shè)備,與船體表面接觸進(jìn)行支撐。導(dǎo)軌架大部分集中在橫隔艙分段,一半在分段裝配之前進(jìn)行預(yù)埋定位。

        橫隔艙分段結(jié)構(gòu)理論上是平直的,但若因此認(rèn)定分段作用于胎架上的力是均布的面載荷則會與實(shí)際情況不符。因分段與胎架接觸的板是由多張板拼接而成,中間有多條拼板縫會造成不完全平直;且板經(jīng)過拼接后會產(chǎn)生變形也并非是完全平直的,從而造成胎架受力不均產(chǎn)生變形。拼板的一般變形類型,如圖2所示。

        圖2 拼板一般變形類型示意圖

        由于分段重量較大且伴隨板的自身變形,造成胎架表面受力并不完全均勻,同時(shí)存在少量胎架跨距過長,因而造成了胎架的實(shí)際變形。

        4 有限元模型建立與計(jì)算分析[2][3][4]

        對胎架最易變形的部分進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析,所選取的胎架由三根立柱組成兩跨,胎架面板位置不與其他結(jié)構(gòu)連接,跨距分別為3 070 mm和2 592 mm,兩邊立柱設(shè)有斜撐(見圖3)。具體分析步驟如下。

        (1)建立實(shí)體模型

        利用Solidworks建立實(shí)體模型,如圖3所示。

        圖 3 胎架模型

        (2)劃分網(wǎng)格及添加約束條件

        將模型導(dǎo)入Ansys Workbench,進(jìn)行網(wǎng)格劃分并添加約束。計(jì)算使用的單元類型由workbench自動選取。由于結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜,將模型選用精網(wǎng)格進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分,節(jié)點(diǎn)共42 704個(gè)﹑單元共19 958個(gè)。對三根立柱及斜撐底部共5個(gè)面進(jìn)行全約束;

        (3)施加載荷及求解

        按分段約200 t計(jì)算重量并考慮胎架組成,對將要施加的載荷進(jìn)行估算(按胎架表面面積平均分配載荷)。對如圖4中的AB段(較長一段)施加14 100 N載荷,方向向下;對BE段(較短一段)施加12 000 N載荷,方向向下。載荷具體分布情況,取2種情況進(jìn)行分析:

        ① 面載荷完全均布在胎架槽鋼表面。

        根據(jù)求解結(jié)果,應(yīng)變(位移變形)圖形如圖4所示。

        圖4 總應(yīng)變圖一

        由圖4可知,最大應(yīng)變出現(xiàn)在AB段中間,變形為4.73 mm;BE段中間變形較小,不大于2 mm。由此可見,即使載荷完全均布情況下,變形量也超過精度要求±3 mm;

        ② 將AB段載荷集中在中間部分,分布長度大約為AB段長度的1/3,BE段則均布。

        根據(jù)求解結(jié)果,應(yīng)變(位移變形)圖形如圖5所示。

        圖5 總應(yīng)變圖二

        由圖5可知,最大應(yīng)變出現(xiàn)在AB段中間,變形為8.84 mm;BE段中間變形較小,不大于2 mm。此計(jì)算結(jié)果(包括載荷分布和變形結(jié)果)與實(shí)際情況較為接近,實(shí)際最大變形約為9 mm,故可以認(rèn)為所作分析是合理的。

        5 模型改進(jìn)及計(jì)算

        由于現(xiàn)場胎架實(shí)際變形超過要求,故針對變形的一段槽鋼在中間位置增加一根支撐,重新進(jìn)行有限元分析,步驟同前:

        (1)建立實(shí)體模型

        建立實(shí)體模型,如圖6所示。

        圖6 胎架改進(jìn)模型

        (2)劃分網(wǎng)格及添加約束條件

        導(dǎo)入模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,節(jié)點(diǎn)共47 117個(gè)﹑單元共22 036個(gè)。將四根立柱及斜撐底部共6個(gè)面進(jìn)行全約束;

        (3)施加載荷及求解

        載荷大小與分布情況與上述相同。根據(jù)求解結(jié)果,應(yīng)變(位移變形)圖形,如圖7。

        圖7 總應(yīng)變圖三

        由圖7可知,中間增加立柱后胎架幾乎沒有變形了。對于胎架其他跨段,因尚未出現(xiàn)變形嚴(yán)重情況,暫不進(jìn)行分析。

        6 結(jié)語

        利用Ansys﹑Solidworks軟件對現(xiàn)場胎架變形進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。基于現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境,通過理論分析對施加的外載荷大小和分布作了假設(shè),同時(shí)經(jīng)過模擬計(jì)算與實(shí)際變形結(jié)果對比,得出最終計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較為符合,可認(rèn)為模擬計(jì)算結(jié)果有效;在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)分析,確認(rèn)增加立柱是有效的改進(jìn)方法;模擬仿真計(jì)算手段,不僅可以在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,也可在生產(chǎn)施工階段進(jìn)行分析計(jì)算,能有效幫助驗(yàn)證及改進(jìn)施工方式。

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