3 000 DWT成品油船軟管吊基座的有限元分析

摘 要：本文借助ANSYS有限元工具，以3000DWT成品油船主甲板上的軟管吊基座結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不足進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)優(yōu)化方案，得到滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：基座；有限元；優(yōu)化設(shè)計(jì)

Finite Element Analysis of Hose Crane Foundation for 3 000 DWT Product Oil Tanker

WU Qunming， SHI Keliang

( Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 )

Abstract: This paper analyzes the structural strength with the program ANSYS for hose crane foundation structure on main deck of 3 000 DWT product oil tanker and optimizes the design scheme of the structure.

Key words: Foundation; Finite; Element; Optimized design

1 概述

油船上的軟管吊機(jī)用于吊運(yùn)主甲板上的輸油管及其它物品等。通常吊機(jī)安裝位置較高，這也要求有相應(yīng)較高的基座。吊機(jī)在吊運(yùn)物品時(shí)，基座底部受較大彎矩，因此在基座及船體局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)關(guān)注此部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本文運(yùn)用有限元方法，對(duì)3000DWT成品油船軟管吊基座及其支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析和優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)既滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)結(jié)構(gòu)型式又相對(duì)簡(jiǎn)單，便于安裝施工。

本船入BV船級(jí)社。

2 基座及主甲板下支撐結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 有限元模型

吊機(jī)基座及支撐結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)系與船體坐標(biāo)系（X軸為船長(zhǎng)方向，向首為正；Y軸為船寬方向，向左舷為正；Z軸向上為正）一致。模型的范圍為長(zhǎng)度取基座下橫向槽型壁的前后艙半個(gè)艙段，橫向?yàn)閺淖笙系接蚁?，高度取從基線到圓筒形基座頂端。吊機(jī)基座及支撐結(jié)構(gòu)的分析模型采用板單元[1]（Shell）、梁?jiǎn)卧˙eam），甲板板、強(qiáng)橫梁、內(nèi)外殼板、槽型壁、軟管吊基座等用板單元模擬，且四邊元的長(zhǎng)寬比不超過(guò)4，兩邊夾角大于60o小于120o，小部分三角單元的兩邊夾角大于30o小于120o[1]；甲板縱骨、內(nèi)外舷側(cè)縱骨、內(nèi)外底縱骨用梁?jiǎn)卧M。有限元模型見(jiàn)圖1所示。

2.2 邊界條件

模型兩端截面縱向構(gòu)件的端部所有節(jié)點(diǎn)剛性約束。

2.3 載荷和工況

甲板、內(nèi)外殼、橫向槽型壁受靜水載荷及波浪載荷的作用，數(shù)值由BV船級(jí)社MARS規(guī)范計(jì)算程序計(jì)算得出，靜水及波浪載荷作用在甲板上的迭加值為0.02185 N/mm2。液壓吊機(jī)的傾覆力矩為284 kN·m，扭轉(zhuǎn)力矩為46.2 kN·m，垂向力為58 kN。

所有工況均考慮結(jié)構(gòu)自重。

分析中考慮了兩種作業(yè)工況：

工況1.吊桿中心線垂直于船中縱剖面。

工況2.吊桿中心線平行于船中縱剖面。

2.4 許用應(yīng)力

根據(jù)BV設(shè)計(jì)規(guī)范[2]：許用等效應(yīng)力σVM = 219.4MPa；許用剪切應(yīng)力τ＝110 Mpa。

3 分析結(jié)果

綜合兩工況的分析結(jié)果得知，當(dāng)?shù)鯒U中心線垂直于船體中心線（即工況1）時(shí)，基座及其下方結(jié)構(gòu)所承受的載荷最大，此時(shí)結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力、剪切應(yīng)力及基座頂端位移是兩種工況中最大的。因此在強(qiáng)度校核中僅考慮工況1，其等效應(yīng)力云圖、剪切應(yīng)力云圖及位移圖見(jiàn)圖2~圖4，其應(yīng)力及位移值見(jiàn)表1。

綜合上表結(jié)果，基座肘板及基座下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，但肘板上端與圓筒形基座接觸點(diǎn)處產(chǎn)生了較大應(yīng)力，且超過(guò)了規(guī)范的許用應(yīng)力要求。因此需對(duì)基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)，以改善其局部強(qiáng)度。

4 修改方案及結(jié)果分析

4.1 修改方案

由于最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在肘板上端與圓筒形基座接觸處，為了改善該處的高應(yīng)力情況，可加厚圓筒形基座壁板厚，但會(huì)明顯增加基座結(jié)構(gòu)的重量；或在與高應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圓筒形基座內(nèi)壁處加設(shè)加強(qiáng)筋，由于圓筒形基座直徑較大，人員可方便地進(jìn)入圓筒形基座內(nèi)部施工，工藝簡(jiǎn)單，且重量不會(huì)明顯增加。因此采用在圓筒形基座內(nèi)壁加設(shè)加強(qiáng)筋的方案，具體的修改是在圓筒形基座內(nèi)壁加設(shè)三道寬度為100 mm，厚度與圓筒形基座壁板同厚的環(huán)形加強(qiáng)筋，分別位于肘板上端、圓筒形基座上端及圓筒形基座高度中央處。

4.2 修改方案后的結(jié)果分析

修改后的模型的等效應(yīng)力、剪切應(yīng)力及總位移云圖見(jiàn)圖5~圖7，其應(yīng)力及位移值見(jiàn)表2。

5 結(jié)論

修改后的模型應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果顯示：模型中的等效應(yīng)力顯著下降，約下降49%，剪切應(yīng)力及總位移略有下降，最大等效應(yīng)力、剪切應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，可見(jiàn)在圓筒形基座內(nèi)部增設(shè)加強(qiáng)筋對(duì)釋放應(yīng)力起到立竿見(jiàn)影的效果，也有利于提高基座自身剛度。且該方案工藝簡(jiǎn)單，便于實(shí)施。

參考文獻(xiàn)

[1] Saeed Moaveni.有限元分析－ANSYS理論與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社.2005

[2] BUREAU VERITAS. Rules for the classification of steel ships 2010

作者簡(jiǎn)介：吳群明（1981－），男，助理工程師，主要從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作

石科良（1984－），男，工程師，主要從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作

收稿日期：2011-08-09