譚慧娟，薛光遠(yuǎn)，吳俊逸，宋 健

(1.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.上海外高橋造船有限公司，上海 200120；3.杭州市眾硅電子科技有限公司，浙江 杭州 311300)

0 引言

樁架是打樁船的主要工作設(shè)備，是專門為海上樁基施工作業(yè)建造的起重與導(dǎo)向設(shè)備，因此樁架的設(shè)計(jì)對(duì)整條船的設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1-2]。根據(jù)功能分類，可將其工況分為非作業(yè)放置拖航工況和作業(yè)吊樁打樁工況。國(guó)內(nèi)對(duì)作業(yè)工況進(jìn)行了很多研究，而對(duì)非作業(yè)放置拖航工況的研究甚少。因在航行擱置狀態(tài)中支撐架對(duì)樁架的穩(wěn)定作用至關(guān)重要，所以有必要研究此工況下各結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題。

某80 m打樁船在船首安裝了樁架結(jié)構(gòu)。樁架使用多年后，出現(xiàn)樁架懸臂的晃動(dòng)問題。為了安全起見，用戶決定在支撐架的后部對(duì)原支撐架進(jìn)行加強(qiáng)。目前有限元直接計(jì)算是分析船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直觀而準(zhǔn)確的方法之一[3]，因此本文以該船的樁架支撐架為研究對(duì)象，采用MSC.PATRAN和NASTRAN軟件對(duì)整個(gè)支撐架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

1 支撐架結(jié)構(gòu)改造方案

在拖航狀態(tài)下，打樁架倒放在樁架支撐架上。由于支撐架相對(duì)靠船首，支撐架后部的樁架懸臂部分相對(duì)較長(zhǎng)，懸臂部分存在一定的晃動(dòng)問題。打樁船的原樁架支撐與船體結(jié)構(gòu)連接的示意圖(側(cè)視圖)見圖1。

圖1 原支撐架結(jié)構(gòu)布置圖

本文提出的加強(qiáng)方案內(nèi)容是：保留原支撐架結(jié)構(gòu)不動(dòng)，在支撐架的后部對(duì)原支撐架進(jìn)行加強(qiáng)；加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)與原支撐架和主船體及甲板室進(jìn)行可靠連接；在加強(qiáng)的支撐架頂部對(duì)倒放后的樁架進(jìn)行再支撐。該加強(qiáng)方案有效縮短了樁架的懸臂長(zhǎng)度，可較好地改善懸臂的晃動(dòng)，同時(shí)也增加了支撐架的強(qiáng)度。加強(qiáng)后的樁架支撐架及連接的船體結(jié)構(gòu)的示意圖(側(cè)視圖)見圖2。

2 建立有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)模型

建立模型時(shí)采用三維板梁組合單元。主甲板、上層建筑和樁架支撐基座板架結(jié)構(gòu)采用平面四邊形板單元描述板格和腹板；局部過渡區(qū)域采用三角形板單元；用一維梁?jiǎn)卧枋隹v骨、橫梁、強(qiáng)框架面板、樁架支撐架桿件等構(gòu)件。通過板梁?jiǎn)卧M合的力學(xué)模型描述與樁架支撐架結(jié)構(gòu)連接的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖2 加強(qiáng)后的支撐架結(jié)構(gòu)布置圖

有限元模型的坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)系，X軸由艉部指向艏部為正，Y軸由右舷指向左舷為正，Z軸垂直向上為正。有限元模型坐標(biāo)原點(diǎn)建立在一層甲板后端壁與中縱剖面和主甲板面相交處。支撐架結(jié)構(gòu)和與船體連接部分結(jié)構(gòu)有限元模型見圖3。

圖3 加強(qiáng)后的支撐架結(jié)構(gòu)及船體結(jié)構(gòu)有限元模型

加強(qiáng)后的支撐架結(jié)構(gòu)尺寸如下：水平及斜撐桿Φ245 mm×10 mm、Φ219 mm×10 mm；垂直下弦管Φ560 mm×16 mm，上弦管、水平桿Φ426 mm×14 mm；頂部的操作平臺(tái)材料均為Q345B。

2.2 邊界條件

有限元模型的底端約束X(縱向)、Y(橫向)、Z(垂向)3個(gè)方向的線位移，即三向線位移為0。

2.3 計(jì)算載荷

樁架支撐架結(jié)構(gòu)頂部受垂直于前后之間頂部面板連接線的壓力，受力大小為3.172×106kN；前后支架頂部受力采用MPC形式連接，受力方向?yàn)榇怪庇诳看椎闹Ъ茼敳棵姘?，?X軸(向船尾方向)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)53°；支撐架底端和船體連接部分，采用MPC形式連接。

3 結(jié)果分析

本船體結(jié)構(gòu)包含Q235A和Q345B 2種材料。

Q235A的材料屈服強(qiáng)度為235 MPa。根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2018)板單元許用相當(dāng)應(yīng)力取屈服強(qiáng)度的0.8倍，為188.00 MPa；梁?jiǎn)卧龖?yīng)力取屈服強(qiáng)度的0.67倍，為157.45 MPa；梁?jiǎn)卧S用剪切應(yīng)力取屈服強(qiáng)度的0.39倍，為91.65 MPa。

Q345B的材料屈服強(qiáng)度為345 MPa。根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2018)板單元許用相當(dāng)應(yīng)力取屈服強(qiáng)度的0.8倍，為276.00 MPa；梁?jiǎn)卧龖?yīng)力取屈服強(qiáng)度的0.67倍，為231.15 MPa；梁?jiǎn)卧S用剪切應(yīng)力取屈服強(qiáng)度的0.39倍，為134.55 MPa。

應(yīng)力結(jié)果匯總見表1，應(yīng)力分布見圖4～圖6。全船應(yīng)力值均滿足規(guī)范許用值要求，Q235A的板單元最大合成應(yīng)力值為155.00 MPa<188.00 MPa；Q345B的板單元最大合成應(yīng)力值為257.00 MPa<276.00 MPa，梁?jiǎn)卧淖畲蠛铣蓱?yīng)力值為157.00 MPa<231.15 MPa。

表1 計(jì)算后應(yīng)力結(jié)果匯總表 單位：MPa

圖4 所有板單元的最大相當(dāng)合成應(yīng)力

圖6 所有梁?jiǎn)卧淖畲蠛铣蓱?yīng)力

4 結(jié)論

(1)直接計(jì)算后的應(yīng)力結(jié)果顯示，本文加強(qiáng)后的樁架支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，證明采用該加強(qiáng)方法能夠有效保證原有及加強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且不影響主船體其他結(jié)構(gòu)，大大改善了懸臂晃動(dòng)的問題，滿足了用戶的使用要求。

(2)支撐架加強(qiáng)部分的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為20.321 t，質(zhì)量變化率為1.312%，小于2%；重心縱向位置距船中0.98 m，重心縱向位置變化率為0.005 3L(L為規(guī)范定義船長(zhǎng))，小于0.01L。計(jì)算結(jié)果均滿足法規(guī)的相關(guān)要求。

(3)本船的穩(wěn)性裕度較大，穩(wěn)性也滿足相關(guān)法規(guī)要求。