打樁船橫向強(qiáng)度直接計(jì)算分析

摘要：由于本船的寬深比大于現(xiàn)行規(guī)范所要求的數(shù)值，故應(yīng)用有限元分析方法計(jì)算打樁船的橫向強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：橫向強(qiáng)度；有限元

1 引言

船體結(jié)構(gòu)抵抗橫向變形活破壞的能力稱(chēng)為船體橫向強(qiáng)度。船體在外力的作用下，除了發(fā)生總縱彎曲外，還有船寬方向的變形，這是由于水對(duì)船體外板的壓力以及在甲板、船底內(nèi)部設(shè)備的結(jié)果。本船是1993年在日本建造的寬深比大于3的箱型駁，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[1]要求需應(yīng)用直接計(jì)算法校核其橫向強(qiáng)度。

2 船舶概述

本船為為鋼質(zhì)、單底、單甲板、主船體縱骨架式結(jié)構(gòu)、甲板室橫骨架式結(jié)構(gòu)非自航的砂樁致密打樁船，船頭設(shè)有三連裝的打樁設(shè)備，可同時(shí)進(jìn)行打樁。

本船可在沿海作業(yè)、無(wú)限航區(qū)調(diào)遣。適用于碼頭、橋梁、人工島的水下基礎(chǔ)工程建設(shè)。

本船主要參數(shù)：

3 三維結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及邊界條件

3.1 計(jì)算結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)規(guī)范要求，為了較為準(zhǔn)確計(jì)算分析船體的橫向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，取船中的一個(gè)典型艙段作為分析對(duì)象（見(jiàn)圖1），進(jìn)行有限元橫向強(qiáng)度直接計(jì)算分析。

有限元計(jì)算分析程序采用國(guó)際大型通用有限元計(jì)算程序PATRAN進(jìn)行。模型的前后端面取在橫艙壁處（包括橫艙壁），其縱向范圍為Fr10 ～ Fr16，模型寬取整個(gè)船寬，模型高度取整個(gè)船的高度。計(jì)算結(jié)構(gòu)模型的有限元網(wǎng)格沿船體縱向按肋板間距劃分4等分，沿船體橫向按縱骨間距劃分3等分，沿船體高度也按縱骨間距劃分。船體的各類(lèi)板材如艙壁、船底板、舷側(cè)外板、甲板板、實(shí)肋板腹板、桁材腹板、甲板強(qiáng)橫梁腹板、強(qiáng)肋骨腹板采用四邊形板單元模擬，面板、縱骨及扶強(qiáng)材按梁?jiǎn)卧M。船體三維計(jì)算模型用板單元和梁?jiǎn)卧獌煞N，共有8 828個(gè)單元，4 296個(gè)節(jié)點(diǎn)。船體三維有限元模型示意圖，見(jiàn)圖2、圖3。

3.2 模型坐標(biāo)系

船寬方向?yàn)閄軸，正方向由船中指向左舷；型深方向?yàn)閅軸，正方向由船底指向甲板；船長(zhǎng)方向?yàn)閆軸，正方向由船尾指向船首。

3.3 材料

本船結(jié)構(gòu)材料采用普通碳素鋼，屈服強(qiáng)度為235Mpa

3.4 邊界條件

在模型的首尾端面處的所有節(jié)點(diǎn)約束3 個(gè)方向的線(xiàn)位移，即δx=0，δy=0 ，δz=0 ，見(jiàn)圖4。

4 模型載荷

按規(guī)范要求載荷作用如圖5所示。

舷外水壓力載荷：

在基線(xiàn)處： PB = 10d ±1.5C kN/m2

在水線(xiàn)處： Pw = ±3C kN/m2

在舷側(cè)頂端處： Ps= 3P0 kN/m2

其中P0 = C–0.67（D-d） kN/mm2

由上圖可見(jiàn)，舷外水壓力載荷沿垂向呈線(xiàn)性分布，故施加在有限元模型上的載荷可使用場(chǎng)函數(shù)方法施加。

施加函數(shù)為：

舷外對(duì)稱(chēng)水壓力：基線(xiàn)至水線(xiàn)0.030708-5.37714* 0.000001*Z

基線(xiàn)至舷側(cè)頂端：P=0.019416-0.00000201*（Z-2100）

舷外非對(duì)稱(chēng)水壓力：右舷基線(xiàn)至水線(xiàn)0.030708-5.37714*0.000001*Z

右舷基線(xiàn)至舷側(cè)頂端：P=0.019416-0.00000201* （Z-2100）

左舷基線(xiàn)以上：max（0，0.011292-1.46229* 0.00001*Z）

甲板均布水壓力：Ps=0.015396N/mm2

NO.3 壓載艙滿(mǎn)載：1.025*0.000001*9.81*（4100-Z）

本計(jì)算考慮工況如表1所列。

5 計(jì)算結(jié)果

5.1 強(qiáng)度衡準(zhǔn)

按照規(guī)范要求，板單元許用相當(dāng)應(yīng)力為170N/mm2，甲板梁腹板、船底肋板許用剪切應(yīng)力為90N/mm2，橫向桁架撐桿許用正應(yīng)力為141N/mm2，其余為170N/mm2。

5.2 各個(gè)工況計(jì)算應(yīng)力匯總

在船中艙段中，由于艙段中間位置的強(qiáng)框架靠近舷側(cè)位置為艙壁結(jié)構(gòu)，故評(píng)估范圍為中間強(qiáng)框架及其前后各取一強(qiáng)框架進(jìn)行應(yīng)力評(píng)估（表2）。

由表2可見(jiàn)：板單元應(yīng)力小于170 N/mm2，甲板梁腹板、船底肋板的剪切應(yīng)力小于90 N/mm2，橫向桁架撐桿正應(yīng)力小于141 N/mm2，其余為各構(gòu)件應(yīng)力值均小于170 N/mm2。因此，本船橫向強(qiáng)框架各項(xiàng)應(yīng)力均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

最大板單元應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖6。最大板單元剪切應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖7.

5.3 屈服評(píng)估

本計(jì)算對(duì)所選擇強(qiáng)度評(píng)估強(qiáng)框架進(jìn)行屈曲評(píng)估，經(jīng)過(guò)計(jì)算，最小屈曲因子為1.05>1，發(fā)生在中間強(qiáng)框架實(shí)肋板上的肘板，故對(duì)此區(qū)域要仔細(xì)檢測(cè)。

屈服模式下的云圖，見(jiàn)圖8。屈服模式下的位移圖，見(jiàn)圖9。

6 結(jié)論

本船橫向強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求和使用要求。但本計(jì)算只是滿(mǎn)足規(guī)范要求進(jìn)行的必要計(jì)算，對(duì)于其他一些工況沒(méi)有考慮，如船舶在斜浪作用下彎扭組合的橫向強(qiáng)度問(wèn)題沒(méi)有進(jìn)行考慮等。

參考文獻(xiàn)

1. 中國(guó)船級(jí)社， 鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范， 2009