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        打樁船定位樁底座關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強度有限元分析

        2020-08-28 02:46:36崔彭飛顧梓楨孔志宏
        造船技術(shù) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:打樁船艙段船體

        崔彭飛, 張 劍, 顧梓楨, 孔志宏

        (1.中交上海航道裝備工業(yè)有限公司, 上海201208; 2.華潤燃?xì)?上海)有限公司, 上海201900;3.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江212003)

        0 引 言

        隨著對海洋環(huán)境的不斷探索,我國的海上工程建設(shè)逐漸興起,海底石油開采、深水港建造、海上建筑物的規(guī)模越來越大型化[1-3],隨之而來的是樁基高度提升、質(zhì)量加大,許多打樁船已經(jīng)不能完成打樁作業(yè),因此設(shè)計和制造適合海上作業(yè)的大型打樁船顯得非常重要[4-5]。打樁船必須往更安全、更穩(wěn)定的方向發(fā)展,其設(shè)計也需有所改變。對打樁船的改造并不是單純地改變大小就能夠滿足要求的,樁架的調(diào)整會導(dǎo)致整個樁架自重改變,增加材料、增加成本,增加打樁船的吃水,增大樁架底座的壓力。特別是對于海上作業(yè)而言,樁架在對樁進(jìn)行導(dǎo)向時,會導(dǎo)致船體自身傾斜角度發(fā)生變化;在施工過程中,絕大部分時間打樁船的整體重心都比較靠近船體尾部,過大的樁架質(zhì)量將會增加其中產(chǎn)生的慣性力,甚至有可能使打樁船傾覆;底部固定端強度較弱易使樁架斷裂,承載力不夠會造成作業(yè)施工時樁架無法起吊樁基的情況[6]。因此,打樁船在符合目前工程所需的各項安全指標(biāo)的同時,須進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度校核,保證底座安全,避免作業(yè)過程出現(xiàn)意外[7-8]。

        型號打樁船在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整,吊機(jī)作為打樁船的主要設(shè)備,設(shè)置在艏甲板舷側(cè),起重重量為50 t。針對該打樁船船尾定位樁架底座結(jié)構(gòu),使用有限元軟件[9-11]建立模型,對其強度進(jìn)行有限元分析,并根據(jù)計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行校核,在計算過程中將外載荷轉(zhuǎn)化為集中力作用在多點約束(Multi-Point Constraint, MPC)上 ,以此校核樁架整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)性及強度[12-14]。

        1 有限元模型

        1.1 艙段有限元模型建立

        目標(biāo)船為海上打樁船,全船總長143 m、型寬46.4 m、型深10.8 m,共248個肋位,船尾至#48肋位為定位樁安裝部位,船體總布置圖如圖1所示。對船體艉部#104肋位的艙段結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,艙段布置如圖2所示。

        圖1 船體總布置圖

        圖2 艙段布置圖

        根據(jù)艙段基本結(jié)構(gòu)圖,利用有限元軟件建立模型:各船體結(jié)構(gòu)采用板、梁單元進(jìn)行模擬;船體的殼板結(jié)構(gòu)、甲板、強框架和桁材等高腹板采用板殼單元模擬;曲面船殼板采用平面板單元模擬;扶墻材采用梁單元模擬。有限元計算模型共有453 307個節(jié)點,578 294個單元,如圖3所示。

        圖3 艙段整體有限元模型

        1.2 邊界條件

        船體是一個漂浮物體,處于平衡力系之下,但其上沒有對剛體運動的約束。有限元位移法分析要求結(jié)構(gòu)的剛體運動可被支座控制,以便于計算結(jié)構(gòu)受力時的相對變形。為此須對浮動船體施加適當(dāng)?shù)募s束,確保船體不做剛體運動,同時又不限制船體變形,使全船結(jié)構(gòu)的受力不受影響,這樣求出的相對變形與應(yīng)力才真實可靠。有限元模型受到的載荷通過MPC單元施加到船體上,即在定位樁底座與主甲板相交平面的中心特定位置建立一個獨立點,將其與其他節(jié)點相關(guān)聯(lián),并對獨立點施加集中力,主甲板受力圖如圖4所示。建立的有限元模型范圍大于規(guī)范要求的吊機(jī)支撐結(jié)構(gòu)范圍,對#104肋位剖面約束所有自由度,即3個方向的位移約束和3個方向的轉(zhuǎn)動約束,具體如圖5所示。

        圖4 主甲板受力圖

        圖5 模型邊界條件

        2 計算載荷與計算工況

        2.1 計算工況

        根據(jù)穩(wěn)性計算中的工況,目標(biāo)船分為作業(yè)和航行兩種計算工況??紤]到危險工況,校核全部燃料備品作業(yè)和全部燃料備品航行工況下定位樁底座加強結(jié)構(gòu)的強度。航行時4根定位樁與抱樁架脫離,船舶結(jié)構(gòu)主要受到橫向作用力Fy、縱向作用力Fx和垂向作用力Fz的作用。

        作業(yè)時考慮樁腿安裝完畢但未打樁入泥狀態(tài)。在安裝定位樁后,船舶結(jié)構(gòu)受到定位樁的作用力包括:(定位樁+抱樁架)重量載荷G、定位樁浮力Ff、風(fēng)載荷Fq、海流力FD。

        2.2 計算載荷

        根據(jù)設(shè)計方提供的資料, (定位樁+抱樁架)重量載荷G為20 601 kN; 依據(jù)CCS《海上拖航指南2011》 附錄一的相關(guān)規(guī)定,被拖船(物)上的載荷按下列公式計算。

        (1) 橫向作用力

        作用在平行于甲板上的作用力Fy計算式為

        Fy=MAy+Fq+Fw

        (1)

        Fq=Cq·Aq

        (2)

        Fw=Cw·Aw

        (3)

        式(1)~式(3)中:M為抱樁架質(zhì)量,根據(jù)設(shè)計方提供資料,M為900 t;Fq為風(fēng)作用力;Fw為海水飛濺力;Cq為系數(shù),取0.736 kN/m2;Aq為貨物側(cè)向投影面積,取162.5 m2;Cw為系數(shù),取1 kN/m2;Aw為距干舷甲板以上2.0 m范圍內(nèi)側(cè)向投影面積,取162.5 m2;Ay為橫向加速度,計算式為

        (4)

        式中:rφ為貨物橫向重心至水線處假定的旋轉(zhuǎn)中心距離,根據(jù)設(shè)計方提供資料取5.8 m;βy為貨物重心與中縱剖面和水線交點處夾角,由于抱樁架重心在中縱剖面,其取值為0°;φ0為最大橫搖角,根據(jù)設(shè)計方提供資料取15°;g為重力加速度,取9.81 m/s2;Tφ為橫搖周期,計算式為

        (5)

        式中:hGM為初穩(wěn)心高度;B為船寬。

        計算得Tφ=9 s;Ay=2.54 m/s2;Fw=162.5 kN;Fq=119.6 kN;Fy=2 568.1 kN。

        (2) 縱向作用力

        作用在平行于甲板上的作用力Fx計算式為

        Fx=MAx+Fq+Fw

        (6)

        式中:Ax為縱向加速度,計算式為

        (7)

        式中:rφ為貨物縱向重心至水線處假定的旋轉(zhuǎn)中心距離,根據(jù)設(shè)計方提供資料取51.1 m;βx為貨物重心與中橫剖面和水線交點處夾角,根據(jù)設(shè)計方提供資料取83.45°;Tφ為縱搖周期,按10 s取值;φ0為最大縱搖角,根據(jù)設(shè)計方提供資料取5°。

        計算得Ax=1.05 m/s2;Fx=1 227.1 kN。

        (3) 垂向作用力

        作用在平行于甲板上的作用力Fz計算式為

        Fz=M(g±a)

        (8)

        式中:a為垂向加速度(不必大于3 m/s2),計算式為

        a=3.75 e-0.003L

        (9)

        式中:L為整船長度,取143 m。

        計算得a=2.46 m/s2;Fz=11 043 kN。

        (4) 風(fēng)載荷

        風(fēng)荷載的大小受風(fēng)速影響,風(fēng)壓計算式[13]為

        Fq=CkA

        (10)

        k=0.613×V2

        (11)

        式中:C為風(fēng)載荷系數(shù),取1;V為風(fēng)速,取13.8 m/s;A為側(cè)面投影面積,取175 m2。

        樁架桿件上的風(fēng)荷載在計算時也使用式(10)和式(11)計算,但風(fēng)載荷系數(shù)C的取值可能會不同,樁架桿件在受風(fēng)力作用時,部分構(gòu)件會遮擋風(fēng)力,此時需考慮遮擋折減系數(shù),但在有限元計算中,如果所有被遮擋的構(gòu)件都考慮折減系數(shù),會增大計算量,而且在施加載荷時會增加加載時間,與有限元結(jié)構(gòu)計算的初衷不符,因此此處不考慮,使所有構(gòu)件均承受完整的風(fēng)力,這樣也相當(dāng)于為結(jié)構(gòu)強度增加了一個安全系數(shù)。

        根據(jù)計算可得Fq=20.4 kN。

        (5) 定位樁浮力

        Ff=Vp·g·ρ

        (12)

        式中:Vp為定位樁排開水的體積;ρ為海水密度。

        根據(jù)計算可得Ff=1 537 kN。

        (6) 海流力

        (13)

        式中:CD為垂直于構(gòu)件軸線的曳力系數(shù),取1;ρ為海水密度,取1.025 kg/m3;VD為海流速度,取0.77 m/s;SD為單位長度構(gòu)件垂直于海流方向的投影面積,取398.7 m2。

        根據(jù)計算可得FD=121.1 kN。

        (7) 彎矩

        根據(jù)穩(wěn)性計算書,風(fēng)壓重心距主甲板作用點高度為4.2 m,海流力作用于主甲板作用點高度為-13.9 m,由風(fēng)載荷和海流力產(chǎn)生的彎矩為

        M=1 769.01 kN·m

        (14)

        三向彎矩為(0,1 769.01,0)kN·m。

        以航行狀態(tài)為例,模型底部為載荷加載狀態(tài),具體如圖6所示。

        圖6 模型載荷分布

        3 有限元計算及結(jié)果分析

        根據(jù)資料,所受載荷作用在MPC點上,經(jīng)計算分析得出定位樁底座及底座橫隔板在不同工況下的應(yīng)力結(jié)果如表1所示,計算過程中安全因數(shù)取1.33。在打樁船航行時,樁架放置于托架之上;在打樁船作業(yè)時,樁架處于植樁狀態(tài)。

        表1 不同狀態(tài)下應(yīng)力匯總結(jié)果 MPa

        利用有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行求解,得到底座加強結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、受力分布和兩種工況下底座加強結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。艙段、底座及底座橫隔板應(yīng)力云圖如圖7~圖10所示。為更直觀地反映載荷作用在定位樁底座上產(chǎn)生的應(yīng)力,讀取結(jié)果時為避免邊界條件對結(jié)果的影響,對原有限元模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)隱藏,具體顯示模型范圍為船尾至#48肋位。

        圖7 航行狀態(tài)下艙段相當(dāng)應(yīng)力云圖

        圖8 作業(yè)狀態(tài)下艙段相當(dāng)應(yīng)力云圖

        圖9 航行狀態(tài)下底座及底座橫隔板等效應(yīng)力云圖

        圖10 作業(yè)狀態(tài)下底座及底座橫隔板等效應(yīng)力云圖

        在航行狀態(tài)下,由圖7和圖9可知:艙段的最大應(yīng)力位于797097號節(jié)點,大小為318 MPa;受約束條件、舷外水壓力以及建模簡化等因素的影響,模型角隅及個別缺失型材的舷側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,選擇底座區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)簡化之后,底座最大應(yīng)力點位于#44肋位處,大小為85.9 MPa,小于所使用的高強度鋼材的許用應(yīng)力(267 MPa);航行狀態(tài)下相應(yīng)肋位處橫隔板及縱艙壁最大應(yīng)力位于617894號節(jié)點,大小為49.1 MPa,小于所使用的Q345E材料的許用應(yīng)力(176 MPa)。

        在作業(yè)狀態(tài)下,根據(jù)圖8和圖10可知:艙段的最大應(yīng)力點位于797097號節(jié)點,大小為286 MPa;底座最大應(yīng)力點位于#44肋位處,大小為125 MPa,小于所使用的高強度鋼材的許用應(yīng)力(267 MPa);相應(yīng)肋位處橫隔板及縱艙壁最大應(yīng)力位于538490號節(jié)點,大小為80.2 MPa,小于所使用的Q345E材料的應(yīng)力許用(176 MPa)。

        4 結(jié) 論

        利用有限元軟件建立打樁船定位樁底座加強結(jié)構(gòu)的有限元模型。利用板、梁、MPC 等不同類型的有限元單元模擬底座、底座橫隔板等主要構(gòu)件結(jié)構(gòu),得出并分析底座加強結(jié)構(gòu)在航行和作業(yè)工況的結(jié)構(gòu)應(yīng)力,得出應(yīng)力云圖,并進(jìn)行強度校核。經(jīng)分析可知:底座加強結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大應(yīng)力主要集中在主甲板與定位樁底座相交的平面上,且兩種工況下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大應(yīng)力均不超出材料的許用應(yīng)力;底座加強結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的應(yīng)力均滿足規(guī)范要求,加強結(jié)構(gòu)的強度足以保證安全作業(yè)。這表明打樁船定位樁底座加強結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,其強度與穩(wěn)性滿足CCS入級要求。

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