筒狀桅桿結(jié)構(gòu)強度的有限元分析及探討

李文華

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

0 引 言

現(xiàn)代船舶的桅桿搭載著雷達天線等精密的電子設(shè)備，是船舶重要的上層建筑。早期桅桿的結(jié)構(gòu)形式多為桁架式，為適應(yīng)各種需求，目前很多桅桿，特別是艦艇桅桿都采用了封閉筒形桅桿。封閉筒形桅桿由于增加了外圍加筋板、內(nèi)隔板等結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)形式更為復(fù)雜。隨著桅桿結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化以及桅桿上裝設(shè)的各種設(shè)備數(shù)量的增加，艦艇桅桿外載荷日益加重，因此降低桅桿自身重量的問題也逐漸成為艦艇設(shè)計師在桅桿設(shè)計中需要努力加以解決的問題。在進行桅桿設(shè)計過程中，加強筋結(jié)構(gòu)的位置、形式及尺寸直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的強度和剛度，本文以筒型桅為例，分析了桅體橫向加筋和縱向加筋對結(jié)構(gòu)的影響，這也是桅桿優(yōu)化設(shè)計值得研究的課題。

桅桿是艦船上的重要結(jié)構(gòu)，其上布置有各種雷達設(shè)備［1］，很多雷達設(shè)備是放在桅體伸出的平臺上，平臺下面布置很多加強筋或者肘板，形成組合結(jié)構(gòu)來承受外載荷。當結(jié)構(gòu)型式、外荷載已確定，就需要優(yōu)化加強筋的位置和截面尺寸以及型式，在滿足強度和剛度的前提下使結(jié)構(gòu)重量最輕，以降低成本、減少能源消耗。由于實際材料的規(guī)格是有一定限制的，結(jié)構(gòu)中不可能每一根桿件都取不同的截面，而是有一部分桿件具有相同的截面，故在工程中往往把桿件分成組，使同一組中的桿件都用相同的截面，這樣不僅能滿足材料限制的要求，也有可能降低造價［2］。

本文以一艘海監(jiān)船為例，其橫向筋和縱向筋均采用角鋼L 75×50×5。若在艦艇桅桿外觀形式不變的情況下，則減輕桅桿重量、增加桅桿強度和穩(wěn)定性、進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，對實際結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為重要。本文對筒狀桅的設(shè)計作出比較，從而得出最佳方案，在切實加強桅桿本身強度的同時，盡量減少桅桿的重量，這就是本文所要探討的問題。

1 桅桿結(jié)構(gòu)強度有限元分析計算

1.1 桅桿三維有限元建模與計算

桅桿的三維有限元模型真實模擬桅桿模型的空間結(jié)構(gòu)，坐標采用右手坐標系的總體坐標系，原點設(shè)在桅桿前壁距離根部1300 mm和桅桿中線交點，X軸向首，Y軸向左，Z軸向上。采用如下單位:長度為毫米（mm）、質(zhì)量為噸（t）、力為牛頓（N），建立如圖 1所示三維模型。

圖1 桅桿三維有限元模型

采用的單元類型有［3］:

（1）四邊形和三角形板單元。主要用于模擬船體的甲板，艙壁、主桅桿、平臺板等。這種單元可同時獲得單元平面應(yīng)力與剪切應(yīng)力，是建模的主要單元；

（2）梁單元。主要用于模擬桅桿結(jié)構(gòu)縱向加強筋、橫向加強筋、甲板扶強材以及小桅桿等；

（3）質(zhì)量單元。主要用于模擬基座和設(shè)備重量。

本文選取某海監(jiān)船的變截面筒型桅，其結(jié)構(gòu)為薄板加強筋結(jié)構(gòu)，進行實例計算，其結(jié)構(gòu)的有限元分析模型如圖1所示。材料選用船用A級鋼，其屈服點為σs=235 MPa，材料彈性模量E=2.06×105N/mm2，材料泊松比υ=0.3。

1.2 應(yīng)力衡準［4］與模型載荷計算公式［5］

有限元模型在艙壁處和甲板處取自由支持，即為 3 個線位移 x=0，y=0，z=0。

作用在桅桿上的計算載荷主要由桅桿結(jié)構(gòu)及其裝備的重力、艦艇搖擺時所引起的慣性力、桅桿所受的風(fēng)力三部分組成。

橫搖:

縱搖:

式中:Fxx為重心處縱向水平力，N；

Fyy為重心處橫向水平力，N；

Fzz為重心處垂向力，N；

M為質(zhì)量，包括桅桿和平臺質(zhì)量，t；

g為重力加速度，m/s2；

φmax為橫搖計算角；

θmax為縱搖計算角；

Pyy為橫向風(fēng)壓力，N；

Pxx為縱向風(fēng)壓力，N；

Tφ、Tθ為橫搖和縱搖周期。

1.3 模型與分析

圖2為下肘板增加加強筋方案。

圖2 下肘板處增加橫向加強筋

1.3.1 下肘板處設(shè)置橫向加強筋方案

采用如下三個模型方案:模型一為下肘板處無橫向加強筋（見圖3），模型二為下肘板有加強筋（見圖4），模型三為下肘板只有局部加強筋（見圖5）。

圖3 平臺肘板下面無橫向加強筋（模型一）

圖4 平臺肘板下面有橫向加強筋（模型二）

圖5 平臺肘板下面有部分橫向加強筋（模型三）

考慮艦船在風(fēng)浪中航行時桅桿受力的最危險狀態(tài)，即縱搖和橫搖同時發(fā)生，經(jīng)有限元計算后得出應(yīng)力結(jié)果見表1。

表1 模型受力結(jié)果分析及比較

從表1可以看出，三種模型所得的軸向最大彎曲應(yīng)力是發(fā)生在下平臺肘板和桅桿主體相交處，在沒有加橫向加強筋的時候，縱向加強筋不滿足要求，受力226 MPa；在增加橫向加強筋的時候，縱向筋受力滿足要求，即84 MPa；若部分橫向筋增加，也可滿足使用要求，即106 MPa。三種模型的最大值都是在同一個位置，即相同節(jié)點上出現(xiàn)。設(shè)計時在肘板和平臺交界處增加橫向加強筋效果明顯。

1.3.2 加強筋與隔板不同的設(shè)置方案

對縱、橫向加強筋及隔板不同的設(shè)置方案比較，共選擇6個方案，經(jīng)計算如表2所示。

表2 各種結(jié)構(gòu)比較

由表2的計算分析結(jié)果比較可知，方案3較好，即在主桅質(zhì)量較小的情況下受力最小。相比較而言，雖然方案4與方案5在受力上也是滿足使用要求，但是對于多加的橫向隔板似乎并未起到太大的作用，反而使應(yīng)力增大，并且增加了主桅的重量，故該二個方案不可取。方案1與方案2分別是縱向加強結(jié)構(gòu)和橫向加強結(jié)構(gòu)，從中可以看出，單一方向分布受力的加強筋不能滿足使用要求，唯有雙向，即橫縱交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，才能互相牽制、合理分配受力，是比較好的力學(xué)模型。這些情況是與實際相符合的。

1.3.3 橫向隔板開孔大小方案

對橫向隔板不同的開孔方案，計算結(jié)果如表3所示。

表3 橫向隔板開孔的大小與橫向加強筋受力比較

模型A和模型B是橫向與縱向交錯式結(jié)構(gòu)，橫向隔板分為三層。實際施工時經(jīng)常需要在橫向隔板中心處設(shè)置重量減輕孔，同時也滿足穿越電纜等管線的需求。開孔大小不同、受力也不同，在滿足受力要求的前提下應(yīng)該開大孔。方案A三層隔板（由上到下）開孔的比例分別為53.2%、68.9%、63.6%；方案B三層隔板（由上到下）開孔的比例分別為11.6%、21.6%、26.6%。重量減輕后的方案A受力反而減小，可見隔板面積并不是越大越好。方案B則開孔過小，隔板中心附近應(yīng)力較小，沒有實現(xiàn)物盡其用，不僅浪費了材料，而且增加了主桅的重量，因此方案A比方案B合理。對于本模型方案A和表2中的方案3相比較而言，重量和應(yīng)力相當，隔板開孔分別為53.2%、68.9%、63.6%時，可達到在此處放置加強筋L 75×50×5 的效果。

2 結(jié) 論

通過上述計算及分析可知，對于筒型桅的設(shè)計，主體應(yīng)采用縱橫交錯式受力加強筋結(jié)構(gòu)，使受力更好地傳遞與分散，既滿足了工程使用需求，又可實現(xiàn)在主桅體內(nèi)部穿越管線等。放置雷達設(shè)備的平臺，其根部肘板和主桅體相交處的加強是放置橫向加強筋，分擔(dān)平臺和設(shè)備帶來的縱向筋承受的彎矩，箍住桅桿主體結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)受力更均勻、合理，避免應(yīng)力集中。計算得到了桅桿結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)及應(yīng)力分布，計算結(jié)果與理論分析一致。為了便于施工，也可以在靠近平臺一側(cè)的肘板處增加部分橫向筋，計算結(jié)果也滿足強度要求。通過對比可知，適當?shù)臋M向加強筋完全可以代替橫向隔板，在橫向隔板中心開孔較大的情況下仍然滿足強度要求。

［1］胡勇，莫立新.高透波性大剛度桅桿設(shè)計與性能測試分析［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報，2005，17（1）:42-48.

［2］周建侯，王書文.基于APDL的桅桿優(yōu)化設(shè)計［J］.中國艦船研究，2006，1（4）:71-75.

［3］聶武，孫麗萍.船舶計算結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2000.

［4］GJB 4000-2000，艦船通用規(guī)范［S］.2000.

［5］GJB-Z119-99，水面艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法［S］.1999.