46.8 m采石船的強(qiáng)度有限元分析

韓純強(qiáng)，孫 劍，伏 輝

(1.江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212003;2.上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231;3.浙江歐華造船有限公司，浙江舟山 316100)

46.8 m采石船的強(qiáng)度有限元分析

韓純強(qiáng)1，孫 劍2，伏 輝3

(1.江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212003;2.上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231;3.浙江歐華造船有限公司，浙江舟山 316100)

基于對(duì)采石船雙體特殊結(jié)構(gòu)的分析，利用MSC.PATRAN/NASTRAN軟件對(duì)46.8 m采石船全船進(jìn)行總橫彎曲強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度有限元分析，給出邊界條件施加方法和載荷計(jì)算方法。計(jì)算結(jié)果顯示，船體主要構(gòu)件強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

總橫彎曲;扭轉(zhuǎn);采石船;強(qiáng)度;雙體船;有限元分析

0 引言

采石船是內(nèi)河工程船的主要船型之一。船舶不斷出現(xiàn)事故的原因主要是船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得不到有效的保證，如果能準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)船體的強(qiáng)度，就可以預(yù)知哪種工況對(duì)船舶來(lái)說(shuō)是最惡劣的，從而可以采取相應(yīng)的措施，以避免出現(xiàn)航行事故［1～5］。本文主要對(duì)46.8 m采石船的總橫彎曲強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行全船強(qiáng)度有限元分析，根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)［4］(簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)的要求對(duì)船體主要構(gòu)件迸行強(qiáng)度評(píng)估。

1 船體概述

本船為雙體船，左右片體對(duì)稱，中間有框架連接部分，不同于有一個(gè)整體甲板的雙體船。后段中間連接部分如圖1 所示，分別設(shè)于 Fr0、Fr12、Fr20、Fr40;首段中間連接部分，分別設(shè)于 Fr60、Fr68、Fr76、Fr85，如圖2所示。前后共有其中間連接部分的特殊性決定了本雙體船的特殊性。

各片體設(shè)4道橫艙壁，艙室分別設(shè)有艏尖艙、艉尖艙、泵艙和2個(gè)空艙。全船為縱骨架式，在肋位設(shè)有支柱。

圖1 尾段中間框架連接部分

本船的主尺度及主要參數(shù):

總長(zhǎng) 46.80 m

水線長(zhǎng) 45.00 m

垂線間長(zhǎng) 45.00 m

計(jì)算船長(zhǎng) 45.00 m

型寬 13.00 m

片體型寬5.00 m

圖2 首段中間框架連接部分

片體間距 8.00 m

型深 2.80 m

設(shè)計(jì)吃水 1.80 m

肋距 0.55 m

本船航行于長(zhǎng)江B級(jí)航區(qū)J2航段，主要用于長(zhǎng)江采石。通過(guò)以上船體概述和結(jié)構(gòu)分析，得知此船舶為具有特殊雙體結(jié)構(gòu)的特殊工程船，不同于一般的船舶。對(duì)于一般船舶，總縱強(qiáng)度如果滿足，其他強(qiáng)度不用再進(jìn)行計(jì)算。而對(duì)于此類特殊工程船舶，由于是特殊的雙體結(jié)構(gòu)，其總橫彎曲強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度必須進(jìn)行計(jì)算和校核。其總縱、總橫彎曲、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度全部符合規(guī)范的規(guī)定，強(qiáng)度才算滿足要求。

46.8 m采石船總布置圖如圖3所示。

圖3 46.8 m采石船總布置圖

2 計(jì)算模型

本船的主尺度比值:計(jì)算船長(zhǎng)/型深=16.1≤25.0;型寬/型深 =4.6≤6.0，符合“規(guī)范”第10.2.1.1 條主尺度的比值規(guī)定。其總縱強(qiáng)度可以按照“規(guī)范”第2.2.4條及第2.2.6條的要求校核本船的總縱彎曲強(qiáng)度及屈曲強(qiáng)度，本文不再進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)“規(guī)范”第10.1.2.3條中的規(guī)定，對(duì)于特殊船型或特殊尺度的工程船以及采用新結(jié)構(gòu)形式的工程船，其結(jié)構(gòu)尺寸除滿足本章規(guī)定外，還應(yīng)符合“規(guī)范”第14.6.3.2條的規(guī)定。本文采用直接計(jì)算方法對(duì)總橫彎曲強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行校核，建模時(shí)采用全船有限元模型。

2.1 全船有限元模型的建立

利用有限元軟件 MSC.PATRAN、MSC.NASTRAN對(duì)全船進(jìn)行有限元強(qiáng)度建模和計(jì)算。其中艙壁、船底板、舷側(cè)板、甲板板、肘板等平板結(jié)構(gòu)用板單元模擬，肘板面板、龍骨、縱桁、扶強(qiáng)材、肋骨、肋板、縱骨、圓管等用梁?jiǎn)卧M;其他小的骨材用梁?jiǎn)卧M。有限元模型結(jié)點(diǎn)12 323個(gè)，單元41 362個(gè)。有限元模型如圖4所示。有限元模型的材料參數(shù):雙層底結(jié)構(gòu)采用普通235鋼，其泊松比v=0.3，彈性模量E=2.06×1 011Pa。

圖4 全船有限元模型

2.2 計(jì)算總橫彎曲時(shí)的邊界條件

對(duì)其中一個(gè)片體的底部進(jìn)行施加約束，邊界條件見(jiàn)表1;在另外一個(gè)片體不施加約束。載荷施加在沒(méi)有約束的片體上，屬于總橫彎曲中最危險(xiǎn)的約束條件。表1中，δ為線位移，θ為角位移。這樣在2個(gè)片體形心處施加彎矩，此時(shí)為扭轉(zhuǎn)中最危險(xiǎn)的約束條件。

2.3 計(jì)算總橫彎曲強(qiáng)度時(shí)的載荷

計(jì)算載荷根據(jù)“規(guī)范”第14.6.2.2條中計(jì)算雙體船連接橋垂向剪力計(jì)算公式計(jì)算得到:

式中:Δ為雙體船的排水量，t;Q為雙體船連接橋垂向剪力，kN;s為航區(qū)系數(shù)，按“規(guī)范”中表14.6.2.1 選取。

施加的位置與方法:垂向剪力Q平均施加在另一個(gè)片體中縱剖面船底強(qiáng)構(gòu)件的交叉結(jié)點(diǎn)上。

表1 計(jì)算總橫彎曲時(shí)邊界條件

2.4 計(jì)算扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度時(shí)的邊界條件

對(duì)雙體船連接橋的中心節(jié)點(diǎn)上施加全位移約束，邊界條件見(jiàn)表2。這樣在2個(gè)片體形心處施加彎矩，此時(shí)為扭轉(zhuǎn)中心最危險(xiǎn)的約束條件。

2.5 計(jì)算扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度時(shí)的載荷

計(jì)算載荷根據(jù)“規(guī)范”第14.6.2.3條中計(jì)算雙體船扭矩計(jì)算公式計(jì)算得到:

式中:Ca為水線面修正系數(shù)，按“規(guī)范”中表14.6.2.3確定;b、b1分別為雙體船片體寬度和連接橋?qū)挾?，m;d為滿載吃水，m;r為計(jì)算半波高，m，按“規(guī)范”第14.2.3.1條確定;L為雙體船的計(jì)算船長(zhǎng)，m;▽為雙體船的排水量，t。

施加的位置與方法:在片體形心處建立獨(dú)立點(diǎn)，將獨(dú)立點(diǎn)所在的縱向平面內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)與獨(dú)立點(diǎn)進(jìn)行剛性關(guān)聯(lián)，然后在剛性點(diǎn)處施加扭矩。

3 有限元計(jì)算結(jié)果

在計(jì)算結(jié)果中需要分析 σL、σe、σZ和 τ4個(gè)應(yīng)力，具體如下:

σL為強(qiáng)力甲板、船底板及舷側(cè)板單元中面沿船長(zhǎng)應(yīng)力，MPa;σe為板單元表面相當(dāng)應(yīng)力，MPa;σZ為梁構(gòu)件單元節(jié)點(diǎn)合成應(yīng)力，MPa;τ為板或梁構(gòu)件的剪應(yīng)力，MPa。

表2 計(jì)算扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度時(shí)邊界條件

3.1 總橫強(qiáng)度應(yīng)力分析

圖5、圖6為部分主要構(gòu)件受最大應(yīng)力云圖。

圖5 船底板、強(qiáng)力甲板及舷側(cè)板單元表面相當(dāng)應(yīng)力云圖

由總縱彎曲強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果和應(yīng)力云圖可以看出:橫艙壁板的板單元表面相當(dāng)應(yīng)力、片體前后連接部位梁構(gòu)件單元節(jié)點(diǎn)合成應(yīng)力相對(duì)較大，這2個(gè)構(gòu)件比較危險(xiǎn)，但在這條船中都滿足規(guī)范要求。除了這2個(gè)構(gòu)件外，其他構(gòu)件應(yīng)力較小，相對(duì)更安全。

圖6 片體連接部位單元節(jié)點(diǎn)合成應(yīng)力云圖

3.2 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度應(yīng)力分析

許用應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力對(duì)應(yīng)計(jì)入，圖7、圖8為部分主要構(gòu)件受最大應(yīng)力云圖。

圖7 船底板、強(qiáng)力甲板及舷側(cè)板單元表面相當(dāng)應(yīng)力云圖

圖8 片體連接部位單元節(jié)點(diǎn)合成應(yīng)力云圖

通過(guò)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果和應(yīng)力云圖可以得知:強(qiáng)橫梁、實(shí)肋板、強(qiáng)肋骨、片體前后連接部位梁構(gòu)件單元節(jié)點(diǎn)合成應(yīng)力相對(duì)較大，這些部位比較危險(xiǎn)，但都符合規(guī)范要求。其他構(gòu)件應(yīng)力較小，相對(duì)也更安全。

4 結(jié)論

此類特殊雙體船必須進(jìn)行總橫彎曲強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的計(jì)算校核。計(jì)算結(jié)果顯示，全船各主要構(gòu)件總橫彎曲強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求?？倷M彎曲強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明，在2個(gè)片體連接部位的應(yīng)力較大，比較危險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意，考慮適當(dāng)加強(qiáng)。目前，船體強(qiáng)度是船舶航行安全的重要保證，因而對(duì)于設(shè)計(jì)的船舶，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。這樣可以預(yù)知哪些構(gòu)件、哪些區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)階段可采取加大尺寸、改變結(jié)構(gòu)等措施，提高危險(xiǎn)部件的強(qiáng)度，從而保證全船的強(qiáng)度，最大程度來(lái)減少潛在的不安全因素。

［1］ 田桂新，張鋼.散貨船的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與安全［J］.青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，(2):44-47.

［2］ 李開(kāi)榮，王青春.散貨船海事發(fā)生原因及對(duì)策［J］.天津航海，1999，(2):1-4.

［3］ 王杰德，楊永謙，等.船體強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

［4］ 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范(2009)［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［5］ 侯淑芳，周志軍.散貨船總縱強(qiáng)度的有限元分析［J］.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，10(3):42-46.

U661.43

A

2012-07-20

韓純強(qiáng)(1985-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)與制造;孫劍(1984-)，男，助理工程師，研究方向?yàn)榇w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造;伏輝(1984-)，男，助理工程師，研究方向?yàn)榇w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造。