杜璽　王少華　劉仕蓮　黃國強　郭文忠

摘? ? 要：船舶在系泊作業(yè)時，受外部氣候條件風(fēng)、浪、涌等影響，受到的外力是相當復(fù)雜的。通過有限元法對系泊設(shè)備加強結(jié)構(gòu)進行強度分析，可確定結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件尺寸。本文按照中國船級社（CCS）《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》有限元分析計算方法，借助PATRAN有限元分析軟件，分析了系泊設(shè)備加強結(jié)構(gòu)的強度。通過分析，確定了滿足結(jié)構(gòu)強度要求的方案，得出了系泊設(shè)備加強結(jié)構(gòu)布置的一般規(guī)律。

關(guān)鍵詞：系泊;結(jié)構(gòu)加強;有限元分析

中圖分類號：U663.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： In the ship mooring operation， the external force of the mooring equipment is usually complicated by the influence of wind， wave and surge. The structural arrangement and component size can be determined by analyzing the strength of supporting hull structure of mooring equipment by finite element method. This paper analyzes the strength of supporting hull structure of mooring equipment by means of PATRAN finite element analysis software according to the finite element analysis and calculation method of CCS Rules for Classification of Sea-Going Steel Ships. By analyzing and determining the scheme to meet the structural strength requirements of the CCS rules， the general law of supporting hull structure arrangement of mooring equipment is obtained.

Key words： Mooring; Supporting hull structure; Finite element analysis

1? ? ?前言

有限元分析法計算精確度高，且適用于復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用領(lǐng)域在迅速擴大，已成為行之有效的工程分析手段，幫助處理復(fù)雜的工程設(shè)計問題。

船舶在設(shè)計建造過程中，往往會遇到以下問題：

（1）設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的強度不夠，導(dǎo)致局部區(qū)域振動過大;

（2）需控制材料規(guī)格，避免船體結(jié)構(gòu)重量超過預(yù)期;

（3）船東對高應(yīng)力區(qū)域結(jié)構(gòu)強度提出質(zhì)疑。

針對上述情況，我們在某船設(shè)計中運用PATRAN軟件，對系泊設(shè)備加強結(jié)構(gòu)進行強度分析，得出核算區(qū)域甲板、加強結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形情況，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，最終得到滿足規(guī)范要求的設(shè)計方案。

2? ? CCS《鋼規(guī)》對有限元分析的建模要求

CCS《鋼規(guī)》中明確了有限元分析的負荷模型范圍、邊界條件、單元設(shè)置及網(wǎng)格劃分等選取要求。

2.1? ?負荷要求

按照常規(guī)船舶的布置要求，系泊設(shè)備應(yīng)位于甲板或平臺結(jié)構(gòu)骨架上，通過橫梁、縱梁等骨材傳遞系泊負荷。系泊設(shè)備及船體加強結(jié)構(gòu)的設(shè)計負荷，應(yīng)為《鋼規(guī)》中舾裝數(shù)N對應(yīng)的系索破斷強度的1.25倍。

2.2? ?模型范圍

運用PATRAN軟件建立局部結(jié)構(gòu)模型，模型范圍為：以系泊設(shè)備布置區(qū)域的有效作用平面為中心，在船長和船寬方向分別擴展至少一倍的距離;平面總建模區(qū)域為系泊設(shè)備作用平面的三倍;高度方向從系泊設(shè)備作用平面擴展至該平面以下的連續(xù)平臺結(jié)構(gòu)，若范圍過大則最少為船舶型深的四分之一;所建模型的前后邊界應(yīng)跨過一檔強結(jié)構(gòu)，若邊界未達到船體的強結(jié)構(gòu)處，模型范圍應(yīng)適當延伸。

2.3? ?邊界條件

運用PATRAN軟件建立局部結(jié)構(gòu)模型，邊界條件在模型的端部，可以采用自由支持或者剛性固定。為了使計算結(jié)果不受邊界條件的影響，一般將模型的范圍適當擴大，減少因模型范圍選取不當而產(chǎn)生對計算結(jié)果的影響。

2.4? ?單元選取

運用PATRAN軟件建立局部結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)合理選取建模單元。其中，船體的主體結(jié)構(gòu)板架及強框架采用4點板單元模擬;一般框架、骨材和加強筋等采用梁單元模擬;為減少單元選取對計算結(jié)果的影響，盡量不使用三角形單元。

2.5? ?網(wǎng)格劃分

運用PATRAN軟件建立局部結(jié)構(gòu)模型，網(wǎng)格劃分應(yīng)盡可能按照船體肋骨間距、縱骨橫向間距、縱骨垂向間距進行相應(yīng)劃分;劃分時網(wǎng)格形狀要規(guī)則，盡量接近正方形，過渡要順緩;

船體結(jié)構(gòu)強框架（強橫梁、縱桁等）在進行網(wǎng)格劃分時，其結(jié)構(gòu)腹板在高度方向應(yīng)≥3 個單元。

3? ? ?有限元模型的建立

本文選擇某船中主甲板一組系泊設(shè)備的加強結(jié)構(gòu)作為有限元分析對象，運用PATRAN軟件建立局部結(jié)構(gòu)模型，對上述系泊設(shè)備的加強結(jié)構(gòu)進行強度分析，得出局部結(jié)構(gòu)模型在設(shè)定工況下的應(yīng)力大小和變形量。具體的各項參數(shù)選取要求如下：

3.1? ? 模型范圍

模型沿船長方向從尾部FR0向首至FR15處;沿船寬方向從左舷至船中;沿船垂向從船底至主甲板。

3.2? ?結(jié)構(gòu)模擬

所建立的局部結(jié)構(gòu)模型，其船體結(jié)構(gòu)包括如甲板、外板等主體結(jié)構(gòu)及橫梁、縱骨等一般結(jié)構(gòu)。其中：甲板、外板、強橫梁腹板等主要構(gòu)件均為4節(jié)點板單元，強橫梁面板、甲板縱骨等次要構(gòu)件均為2節(jié)點梁單元。

3.3? ?模型坐標系

根據(jù)右手坐標系法則定義有限元模型坐標系方向：以船底型表面中心線與舵軸中心線交點為原點，縱向以船首為正、橫向以左為正、垂向以向上為正。

4? ? ?構(gòu)件尺寸和材料

依據(jù)船體分段結(jié)構(gòu)圖中的構(gòu)件規(guī)格，作為有限元模型中采用的構(gòu)件尺寸。

模型中構(gòu)件材料的物理參數(shù)如下：

楊氏模量? ? ? ? E = 2.06 x 105 MPa

泊松比? ? ? ? ? ? μ = 0.3

密度? ? ? ? ? ? ? ? ρ = 7.85x10-9 t/mm3

5? ? 應(yīng)力分析

根據(jù)《鋼規(guī)》要求，對一組帶纜樁、導(dǎo)纜孔下的加強結(jié)構(gòu)進行強度分析：借助PARTAN有限元分析軟件，得出加強結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力情況，將其與《鋼規(guī)》中要求的許用應(yīng)力比較，若超出許用應(yīng)力值，則對加強結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以得到滿足要求的結(jié)果。

5.1? ?強度準則

根據(jù)《鋼規(guī)》規(guī)定，進行有限元分析時采用合成應(yīng)力作為校核衡準。合成應(yīng)力應(yīng)不大于材料最小屈服點。本船采用的材料為CCS-A級鋼，其屈服極限為235 MPa。

5.2? ?計算結(jié)果

系泊設(shè)備位于舷側(cè)甲板結(jié)構(gòu)橫梁上，按照設(shè)計負荷應(yīng)為系索破斷強度1 617 kN的1.25倍，即設(shè)計負荷為2 021.25 kN。根據(jù)計算結(jié)果，在主甲板系泊處結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的最大合成應(yīng)力為346 MPa，超出許用應(yīng)力235 MPa，不能滿足規(guī)范要求。

圖1為未增加結(jié)構(gòu)加強前，主甲板系泊處結(jié)構(gòu)合成應(yīng)力情況。

由圖1可知：支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大346 MPa合成應(yīng)力位于系泊設(shè)備下方支撐縱骨及肘板上，表明系泊設(shè)備的工作負荷主要由設(shè)備下方支撐結(jié)構(gòu)承擔(dān)。

為減少系泊設(shè)備下方支撐結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力，將系泊設(shè)備下方的加強結(jié)構(gòu)進行加密布置，每半檔增加加強結(jié)構(gòu)。新增加強構(gòu)件在設(shè)計時，一方面從結(jié)構(gòu)形式考慮，盡可能與相鄰結(jié)構(gòu)形式相似，方便構(gòu)件間過渡連接;另一方面從構(gòu)件尺寸考慮，其強度滿足規(guī)范即可，不宜增加過多，且構(gòu)件規(guī)格盡可能少。為此，確定加強結(jié)構(gòu)方案如下：系泊設(shè)備下方增加兩個厚度為t=10 mm、折邊為80 mm的肘板;帶纜樁下方增加四根規(guī)格為HP260*12的球扁鋼。圖2為增加加強結(jié)構(gòu)后的結(jié)構(gòu)示意圖。

6? ? 有效性分析

在增加加強結(jié)構(gòu)后，得到主甲板下支撐結(jié)構(gòu)處合成應(yīng)力為221 MPa ，小于許用應(yīng)力值，滿足規(guī)范要求。

圖3為增加加強結(jié)構(gòu)后，主甲板下支撐結(jié)構(gòu)合成應(yīng)力圖。

7? ? ?結(jié)論

（1）系泊設(shè)備在原加強結(jié)構(gòu)形式下，系泊處主甲板下支撐結(jié)構(gòu)所受合成應(yīng)力的最大值為346 MPa，超出許用應(yīng)力值，不滿足規(guī)范要求;在增加加強結(jié)構(gòu)后，主甲板下支撐結(jié)構(gòu)所受合成應(yīng)力的最大值為221 MPa小于許用應(yīng)力235 MPa，滿足規(guī)范要求，新增加強結(jié)構(gòu)設(shè)計合理;

（2）系泊設(shè)備負荷主要通過主甲板下支撐結(jié)構(gòu)進行傳遞，對下支撐結(jié)構(gòu)進行合理的加密處理，設(shè)置連接肘板、加強筋能夠有效地將系泊設(shè)備負荷傳遞到甲板、橫梁、縱骨等結(jié)構(gòu)上;

（3）通過PARTAN有限元分析結(jié)果可以看出，本增加加強結(jié)構(gòu)設(shè)計方案能夠有效地減少系泊處主甲板下支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計強度，可供在類似系泊設(shè)備結(jié)構(gòu)加強中參考。

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