(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

液化石油氣船與常規(guī)船型的不同點(diǎn)之一就是需要布置支承基座，用來限制獨(dú)立艙的垂向、橫向和縱向位移[1]。針對某VLGC船，介紹支承基座的設(shè)計(jì)與校核方法,該船設(shè)計(jì)參考英國船級社(LR)的規(guī)范和直接計(jì)算指南[3-4]，同時(shí)滿足IGC CODE的要求[5]。有限元分析校核過程采用Patran軟件建模，Nastran求解以及后處理分析軟件Shipright進(jìn)行后處理。

1 支承布置初步設(shè)定

基座一般布置在船體強(qiáng)框位置處，根據(jù)該船船體和液艙結(jié)構(gòu)形式，垂向支承基座S、防縱搖支承基座LP以及底部防橫搖支承基座LR布置在船體內(nèi)底板上，頂部防橫搖支承基座UR布置在船體甲板，止浮支承基座AF布置在液艙頂部斜板上?；蛭恢貌煌惺茌d荷有較大差異，特別是在縱向，因此垂向支承、防橫搖、止浮支承基座分為A、B、C三種規(guī)格以便節(jié)省材料。基座支承初步設(shè)定見圖1。

2 有限元粗網(wǎng)格分析

該船的粗網(wǎng)格模型建模要求與常規(guī)船型大致相同，網(wǎng)格大小為肋距/縱骨間距[6]。對支承基座，在粗網(wǎng)格分析中進(jìn)行簡化建模，采用Spring單元來模擬木塊樹脂在此處產(chǎn)生的作用，基座的粗網(wǎng)格模型見圖2。為了準(zhǔn)確模擬木塊樹脂的作用，對Spring單元的建模、屬性設(shè)定和分析要求較高。

Spring單元要保證方向一致性，對于同一種類型基座的Spring單元，單元軸向要保持一致不能存在夾角。例如該船所有垂向支承基座的Spring單元軸向與主坐標(biāo)Z向平行。

Spring單元為一維彈簧單元，通過定義彈簧的彈性剛度、阻尼、單元的節(jié)點(diǎn)自由度等實(shí)現(xiàn)。該船Spring單元?jiǎng)偠葹?/p>

(1)

式中：H1、H2為木塊、樹脂的厚度，mm；E1、E2為木塊、樹脂的彈性模量，MPa；A1、A2為木塊、樹脂的垂直受壓方向的截面積， mm2。

彈簧單元節(jié)點(diǎn)的自由度可以依據(jù)木塊受壓的方向及參考的坐標(biāo)系。例如，在主坐標(biāo)系下，垂向基座彈簧單元node1和node2的自由度選擇為UZ，防橫搖基座彈簧單元node1和node2的自由度選擇為UY，防縱搖基座彈簧單元node1和node2的自由度選擇為UX，止浮基座彈簧單元自由度的設(shè)定進(jìn)行了簡化，其node1和node2的自由度也選擇為UZ。

彈簧單元不僅能夠承受壓力還能承受拉力，實(shí)際上木塊只承受壓的狀態(tài)，因此對彈簧單元進(jìn)行迭代分析。當(dāng)有彈簧單元承受拉力時(shí)，應(yīng)把受拉彈簧單元?jiǎng)h除，重新對模型進(jìn)行計(jì)算，直至所有的彈簧單元僅承受壓應(yīng)力。在具體的分析過程中一般認(rèn)為迭代計(jì)算5次就可達(dá)到目的。要想確定彈簧單元受拉還是受壓，首先要明確彈簧的方向，例如：當(dāng)垂向支座的彈簧單元矢量方向沿-Z向時(shí)，讀取的彈簧力為負(fù)值則表示彈簧受壓，反之受拉。根據(jù)LR船級社的指導(dǎo)意見，彈簧單元矢量方向設(shè)定的原則為：垂向支座與止浮支座的彈簧單元矢量方向設(shè)定為-Z向，防橫搖支座的彈簧單元矢量方向?yàn)?Y向,防縱搖支座的彈簧單元矢量方向設(shè)定為-X向。

3 基座壓力分析

船體艙段有限元計(jì)算分析可以得到船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)以及彈簧單元所承受的壓力，艙段分析要進(jìn)行多種工況校核，每個(gè)工況下基座承擔(dān)的壓力會(huì)有所不同。因此要對所有工況下的壓力值進(jìn)行比較，篩選出每個(gè)基座所承擔(dān)的壓力最大值。具體步驟為：①從計(jì)算結(jié)果中讀出每個(gè)彈簧所受的力；②對屬于同一基座的彈簧進(jìn)行求和，得到基座所承受的壓力；③對每個(gè)工況下基座所受的壓力進(jìn)行比較選出最大壓力值。部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 基座承受壓力的部分統(tǒng)計(jì)表格(負(fù)值表示受壓)/N

4 支承布置圖修定

對基座的承載壓力分析后依據(jù)各基座的承載能力修改支承布置。如：頂部防橫搖減少了布置的數(shù)量，進(jìn)行隔檔布置；前艙壁外側(cè)的垂向支撐能力不足增設(shè)了一個(gè)B型支座等。修改后的布置圖見圖3。

圖3 修改后的支承布置

根據(jù)修定的布置圖修改粗網(wǎng)格模型重新計(jì)算，再次統(tǒng)計(jì)每個(gè)基座承載的壓力。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果選取典型基座進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。選取的主要依據(jù)一是在同類型基座中所承擔(dān)的壓力最大；二是基座所在的位置及其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)具有一定的代表性。

對基座的細(xì)網(wǎng)格進(jìn)行分析，包含對基座結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的強(qiáng)度校核和疲勞校核。細(xì)網(wǎng)格模型的建模要求參考船級社規(guī)范，不同的網(wǎng)格大小其校核衡準(zhǔn)是不同的?；鶑?qiáng)度校核的細(xì)化模型見圖4。

圖4 基座細(xì)網(wǎng)格模型

模型細(xì)化后嵌入到艙段粗網(wǎng)格模型中進(jìn)行加載計(jì)算分析。此時(shí)可以只選定危險(xiǎn)工況進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格計(jì)算分析，以便節(jié)省分析時(shí)間。計(jì)算后檢查模型結(jié)果，對不滿足強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，重新加載計(jì)算。細(xì)網(wǎng)格分析就是一個(gè)對模型不斷計(jì)算、優(yōu)化的過程，最終使得結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

5 基座校核方法優(yōu)化

5.1 木塊模擬單元的選取

采用Spring彈簧單元來模擬木塊的作用，以此來傳遞液貨艙與船體之間的載荷。Spring單元迭代計(jì)算過程比較簡單，對計(jì)算機(jī)配置的要求不高，通用性強(qiáng)。但是Spring單元的特性是同時(shí)能夠承受拉壓力，因此在分析過程中需要根據(jù)上次計(jì)算的彈簧力把所有受拉Spring單元?jiǎng)h除后重新迭代計(jì)算。此種迭代計(jì)算方法可能對最終的彈簧力造成一定的誤差，受拉Spring單元?jiǎng)h除后彈簧力重新分布，在刪除的Spring單元中可能出現(xiàn)重新受壓的單元。此方法計(jì)算產(chǎn)生的誤差在衡準(zhǔn)可接受范圍內(nèi)，不影響工程的實(shí)際應(yīng)用。

在研究中發(fā)現(xiàn)也可以選取gap單元來模擬木塊的特性，gap單元為一維非線性接觸單元，可以定義壓縮剛度、拉伸剛度、剪切剛度等屬性。定義gap單元的壓縮剛度值而令拉伸剪切剛度為零，在分析時(shí)木塊受壓gap單元傳遞有效載荷，木塊受拉gap單元傳遞載荷為零。如此，就能準(zhǔn)確描述木塊的特性，最終得到準(zhǔn)確的木塊受壓載荷。采用gap單元來模擬木塊，計(jì)算分析比較復(fù)雜，迭代計(jì)算耗時(shí)比較長，同時(shí)對計(jì)算機(jī)的配置要求很高，一般需要采用工作站進(jìn)行分析。

5.2 粗網(wǎng)格中基座模型的簡化

分析發(fā)現(xiàn)，可以簡化基座模型來提高建模速度，節(jié)省分析工時(shí)，同時(shí)不影響最終的分析結(jié)果。在粗網(wǎng)格模型中某基座所承擔(dān)的壓力主要受布置位置、艙室自重、液貨自重、貨物加速度的影響，基座本身的影響不大。同時(shí)細(xì)網(wǎng)格分析時(shí)基座壓力直接從主模型中讀取，統(tǒng)計(jì)的基座最大壓力值只做參考，對最終的細(xì)網(wǎng)格結(jié)果無影響。因此對該基座模型進(jìn)一步簡化，見圖5。基座模型簡化不僅可以提高建模的速度，而且可以減少對圖紙的依賴(前期分析時(shí)不需要基座結(jié)構(gòu)圖完備)。對于基座模型簡化同時(shí)也減少了spring單元的個(gè)數(shù)，節(jié)省對彈簧力的統(tǒng)計(jì)時(shí)間。

圖5 基座的粗網(wǎng)格模型

5.3 木塊模擬單元的不均勻受壓

當(dāng)基座木塊受壓時(shí)存在受壓不均勻的情況，一側(cè)受壓嚴(yán)重，另一側(cè)受壓相對較輕。在有限元計(jì)算分析時(shí)由于木塊模擬單元之間是相互獨(dú)立的，彼此不傳遞載荷，使得單元受壓不均勻狀態(tài)更為嚴(yán)重。在本文細(xì)網(wǎng)格分析結(jié)果中，某基座的彈簧力見圖6。左上角的彈簧力為1.19×106N，左下角彈簧力為3.45×105N，右下角的彈簧力為3.26×105N，同時(shí)在右下角的一些彈簧單元因?yàn)槌惺芾Χ诘?jì)算過程中刪除。結(jié)果表明木塊上的彈簧力相差較大，甚至出現(xiàn)一側(cè)局部受拉的現(xiàn)象，這與木塊的特性有一些差異，會(huì)使分析結(jié)果過于保守。通過學(xué)習(xí)研究發(fā)現(xiàn)，用實(shí)體單元來模擬木塊可以降低壓力過于集中的現(xiàn)象，以后細(xì)網(wǎng)格分析可將木塊建成體單元進(jìn)行計(jì)算。

圖6 基座彈簧力圖