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        豪華郵輪超大艙室單元強度和變形分析

        2021-10-25 08:50:36朱紅娟葛珅瑋張衛(wèi)
        船海工程 2021年5期
        關鍵詞:吊耳艙室甲板

        朱紅娟,葛珅瑋,張衛(wèi)

        (招商局郵輪制造有限公司,江蘇 南通 226000)

        大型豪華郵輪通常有數(shù)以千計的艙房,國外造船廠普遍采用艙室單元技術建造居住艙室[1]。模塊化艙室單元絕大部分在工廠制作好,運送至現(xiàn)場后,逐個吊裝至指定位置。該技術可降低建造成本,提高了內(nèi)裝質(zhì)量,大幅縮短了施工周期。我國在豪華郵輪設計建造上剛剛起步,迄今為止,國內(nèi)鮮有豪華郵輪艙室單元結(jié)構(gòu)強度及變形控制相關的研究[2]。艙室單元是大跨度的薄板焊接結(jié)構(gòu),在轉(zhuǎn)運和吊裝過程中極易發(fā)生變形,如果變形較大,將會影響艙室單元的美觀、吊裝進艙的定位安裝,甚至會破壞預裝的內(nèi)裝結(jié)構(gòu)。為深入掌握艙室單元的受力特點、變形規(guī)律,以及相對變形規(guī)律,以某郵輪超大艙室單元為例,采用有限元分析方法,選取艙室單元3種典型的狀態(tài):靜止狀態(tài)、吊裝狀態(tài)、工作狀態(tài),分別計算其應力和變形,并分析工作狀態(tài)和吊裝狀態(tài)相對于靜止狀態(tài)的相對變形,以期掌握艙室單元的應力分布和變形規(guī)律,并找到相對變形的控制方法。

        1 艙室單元的結(jié)構(gòu)設計概況

        郵輪艙室單元主體是長方體結(jié)構(gòu),共3層,自上而下分別為:頂層甲板、二甲板、一甲板、底層甲板。整個艙室單元長20 290 mm、寬10 690 mm、高9 414 mm。艙室單元的各層甲板板厚5 mm。橫、縱艙壁板厚6 mm,板材均較薄。各層甲板均采用縱骨架式,除底層甲板以外,其他層甲板沿長度方向僅設置3道強橫梁,間距5 000 mm。強橫梁的構(gòu)件尺寸為T400×8/150×8。艙室單元縱、橫艙壁上設置大小為L150×70×7的骨材,間距800 mm。艙室單元層高,根據(jù)艙室所需凈空間、橫梁高度、甲板板架的變形量綜合確定。

        2 艙室單元的結(jié)構(gòu)分析

        2.1 有限元模型

        艙室單元結(jié)構(gòu)分析基于有限元方法,采用通用有限元軟件Femap with Nastran進行分析。有限元網(wǎng)格大小為500 mm×800 mm。吊耳局部位置采用大小為35 mm×35 mm的細網(wǎng)格,見圖1、2。

        圖2 吊耳細化有限元模型

        艙室單元的甲板,橫艙壁,橫梁腹板等主要結(jié)構(gòu)均采用4節(jié)點的板單元模擬,在高應力區(qū)盡可能避免使用三角形單元,特別是吊耳開孔周圍等應力梯度大的區(qū)域。

        由于舾裝,通風,管系,電氣,木作,油漆等結(jié)構(gòu)重量未包含在有限元模型中,統(tǒng)計艙室單元各構(gòu)件的重心見表1。

        表1 艙室單元及其各部分的抽質(zhì)量、重心

        通過放大重力加速度的方法,使有限元模型的總質(zhì)量與實際艙室單元質(zhì)量一致。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的密度,使得結(jié)構(gòu)重心與艙室單元吻合[3]。

        2.2 計算工況

        根據(jù)艙室單元的狀態(tài),考慮3種典型工況。

        1)艙室單元靜止狀態(tài)。艙室單元靜止狀態(tài)時只考慮自身重力。評估艙室單元靜止狀態(tài)下的強度和變形。

        2)艙室單元吊裝狀態(tài)??紤]起吊瞬間慣性載荷的影響,慣性載荷的垂向加速度取az=1.1g。計算艙室單元吊裝狀態(tài)下的強度和變形,并計算吊裝相對于靜止狀態(tài)的相對變形。

        3)艙室單元工作狀態(tài)。艙室單元吊裝到位后,除了自重以外,主要是游客引起的載荷。所以主要考慮游客對各層甲板及樓梯產(chǎn)生的載荷。

        參照DNVGL-RU-SHIP-Pt3[4]中2.2.1節(jié),住宿區(qū)甲板載荷應不低于2.5 kN/m2,本設計考慮20%的載荷余量,所以住宿區(qū)甲板均布載荷取為3 kN/m2。

        因郵輪規(guī)范中無樓梯載荷相關說明,根據(jù)DNVGL-OS-C101中4.2節(jié)表3[5],樓梯上踏步載荷考慮均布載荷和樓梯踏步中心集中載荷兩種情況。取樓梯上參觀人員均布載荷4.5 kN/m2,或集中載荷4.5 kN,集中載荷作用在整個樓梯的中心處。

        計算艙室單元工作狀態(tài)下的強度和變形,以及工作狀態(tài)相對靜止狀態(tài)的相對變形。

        2.3 邊界條件

        1)艙室單元靜止狀態(tài),考慮兩種支撐形式。

        ①吊裝之前,艙室單元靜止時,底部僅圖中強橫梁兩端的支撐點接觸地面,支撐點前后對稱。對這12個支撐點簡支約束,見圖3。

        圖3 底部支撐布置(正視)

        ②吊裝之前,艙室單元靜止時,底部強橫梁和縱桁支撐點全部接觸地面。對所有支撐點簡支約束。

        分析通過局部支撐的方法,預留自重變形,是否對控制吊裝相對變形有一定作用。

        2)通常情況下,為了保證吊裝強度,控制變形,船舶的分段劃分尺寸控制在12 m×12 m以內(nèi),且只要求吊裝強度滿足要求即可。在結(jié)構(gòu)強度滿足要求的情況下,分段吊裝時引起的彈性變形會在外力消失后恢復。本艙室單元大小為20.290 m×10.69 m×9.414 m,遠大于常規(guī)分段的吊裝尺寸。且艙室單元的最上層是玻璃房、游泳池等休閑娛樂區(qū),沒有完整的鋼結(jié)構(gòu)強框架。如按照常規(guī)的吊裝方案,將吊耳布置在艙室單元結(jié)構(gòu)的頂部,勢必會帶來大量額外的結(jié)構(gòu)加強。因此,將底部強橫梁的間距微調(diào),在底部平臺多設置兩道永久性的強橫梁,將吊耳布置在底部強橫梁的端部,避免不必要的臨時加強。

        吊裝狀態(tài)下,吊點前后對稱,僅在吊耳位置簡支固定,具體位置見圖4。

        圖4 吊耳布置(正視)

        3)工作狀態(tài)。

        ①僅強橫梁兩端的支撐點接觸地面。對12個支撐點簡支約束。

        ②底部橫梁和縱桁全部與底部結(jié)構(gòu)接觸,對所有底部橫梁和縱桁底端簡支約束。

        2.4 評估標準

        1)強度評估標準。強度評估衡準參照《郵輪規(guī)范(2017)》中2.4.6條,見表2。

        表2 許用應力 MPa

        2)艙室單元變形衡準。艙室單元的各層甲板主要支撐構(gòu)件的變大變形值參照CCS《郵輪規(guī)范(2017)》中2.5.4.2條,對于甲板的主要支撐構(gòu)件,撓度應不超過其跨距的L/400[6],26.6 mm。

        3)艙室單元相對變形衡準。因吊裝或者工作狀態(tài)相對于靜止狀態(tài)均會產(chǎn)生額外的相對變形,內(nèi)裝提出艙室單元結(jié)構(gòu)在各種狀態(tài)下相對變形不超過10 mm的要求。

        2.5 計算結(jié)果分析

        底部12點支撐、各載荷工況下的最大應力統(tǒng)計見表3??梢钥闯觯嗽O計的結(jié)構(gòu)強度均滿足規(guī)范要求,且余量較大。靜止狀態(tài)和工作狀態(tài)最大應力均發(fā)生在樓梯和DECK1平臺連接處。此位置因為空間布置的限制,不能設置立柱和強支撐結(jié)構(gòu),屬于懸空結(jié)構(gòu),且其上有較大跨度的樓梯,所以應力較大,該位置是結(jié)構(gòu)設計時重點考慮的位置。需對樓梯和二甲板平臺連接處及樓梯底部的強橫梁做適當?shù)募訌?。以保證人在樓梯上行走時的穩(wěn)定性和舒適性。

        表3 最大應力匯總 MPa

        吊裝狀態(tài)下,最大應力發(fā)生在吊耳處,局部最大應力為279 MPa,滿足細網(wǎng)格的許用應力。具體的應力云圖見圖5~7。

        圖5 工作狀態(tài)應力云圖(包絡值)

        圖6 吊裝狀態(tài)應力云圖

        圖7 吊耳應力云圖

        各層甲板最大變形見表4。

        由表4可見:最大變形發(fā)生在吊裝狀態(tài)下。吊裝時,各層甲板的變形值均較大,最大變形值發(fā)生在底部甲板中心位置處,其值為18.9 mm。吊裝狀態(tài)下的變形規(guī)律見圖8。

        圖8 吊裝狀態(tài)的變形

        表4 各層甲板最大變形 mm

        其他各種狀態(tài)下的最大變形也全部滿足《郵輪規(guī)范(2017)》的變形要求,各層甲板的最大變形基本上發(fā)生在各層甲板的中心處。

        各層甲板相對靜止狀態(tài)的最大相對變形見表5。

        由表5可見,底部12點支撐時,艙室單元工作狀態(tài)相對于靜止狀態(tài)的相對變形均滿足內(nèi)裝的工程要求。

        表5 各層甲板相對靜止狀態(tài)的最大相對變形 mm

        底部橫梁縱桁支撐時,艙室單元工作狀態(tài)相對于靜止狀態(tài)的相對變形均滿足內(nèi)裝的工程要求。

        吊裝變形相對于靜止狀態(tài)、底部12點支撐的變形最大值是9.9 mm,小于內(nèi)裝專業(yè)提出的甲板敷料破壞的臨界值。

        吊裝變形相對于靜止狀態(tài)、底部橫梁縱桁支撐的變形最大值是15.8 mm。因為艙室單元靜止狀態(tài)、底部橫梁縱桁全部支撐時,底部甲板的初始變形較小,導致相對變形遠遠超出了甲板敷料破壞的臨界值。

        所以通過底部12點局部支撐,讓艙室單元在自重的狀態(tài)下,提前釋放應力,充分變形,通過內(nèi)裝敷料找平消化掉變形。此法避免了艙室單元因吊裝引起的變形與自重變形疊加從而產(chǎn)生過大的變形。避免破壞內(nèi)裝敷料等預舾裝結(jié)構(gòu),保證了艙室單元整體吊裝的安全。

        3 結(jié)論

        1)大型艙室單元薄板結(jié)構(gòu)剛性較弱,在轉(zhuǎn)運吊裝階段,由于板材受力不均勻,極易發(fā)生變形。

        所以,對于大尺寸薄板艙室單元,除了滿足規(guī)范的強度要求外,更應重點關注其變形。避免因為變形過大,導致艙室單元無法進艙。

        2)吊耳的布置,不同于常規(guī)做法。將吊耳布置在底部強橫梁端部,可避免大量的加強工作,也可以很好地通過底部強結(jié)構(gòu)框架傳遞載荷,有助于控制吊裝相對變形。

        3)對于已經(jīng)完成預舾裝的艙室單元,即使是彈性變形,也有可能對管路、窗戶、絕緣材料、內(nèi)裝地板等造成損傷,所以艙室單元吊裝的重點是控制吊裝的相對變形。通過底部的局部支撐,提前釋放自重狀態(tài)下的變形,減少吊裝時產(chǎn)生的相對變形,可保證艙室單元吊裝時內(nèi)裝敷料的安全。

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