浮船塢結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計算方法對比研究

，

(1.上海船舶設(shè)備研究所，上海200031；2.大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸裝備與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

在有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算時，對于沿直線分布的線載荷可以基于節(jié)點(diǎn)等效載荷理論在作用線上施加載荷函數(shù)；也可以對載荷函數(shù)簡單地分段離散進(jìn)行保守計算。對于處于受力平衡狀態(tài)的結(jié)構(gòu)計算模型，可以由三點(diǎn)鉸支來約束其剛體的平動和轉(zhuǎn)動，也可以應(yīng)用慣性釋放約束。

文中分析了在典型工況作用下的浮塢力學(xué)模型，針對其托舉載荷沿直線分布、受載后處于平衡態(tài)的特點(diǎn)，在通用有限元軟件中建立全塢結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型，對比分析研究上訴有限元分析方法[1-3]。

1 慣性釋放

(1)

求解式(1)可得到所有節(jié)點(diǎn)為了保持平衡所需的節(jié)點(diǎn)加速度，進(jìn)而可以得到節(jié)點(diǎn)慣性力。再將節(jié)點(diǎn)的慣性力作為外載荷施加到單元節(jié)點(diǎn)上，人為構(gòu)造出一個平衡力系，這時候計算中不再需要邊界條件。這種構(gòu)造結(jié)構(gòu)靜力平衡的方法叫做慣性釋放。

2 基于規(guī)范的浮船塢結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估

2.1 有限元模型建立

2.1.1 浮塢主要結(jié)構(gòu)說明

計算浮塢為箱型單底整體式鋼質(zhì)浮船塢，該浮船塢主尺度及主要參數(shù)見表1。

表1 浮船塢主尺度及主要參數(shù)

該塢除塢墻上甲板外，均為橫骨架式，肋距為0.55 m，上甲板為縱骨架式，縱骨間距0.50 m，橫向強(qiáng)框架不超過4檔設(shè)置。在塢體內(nèi)設(shè)置3道縱向水密艙壁，橫向除設(shè)置水密橫艙壁外，還在每一壓載水艙中設(shè)置1道非水密支撐艙壁，以加強(qiáng)橫向強(qiáng)度。

2.1.2 模型范圍

取整個浮船塢(全塢長、全塢寬、全塢高)范圍內(nèi)的塢體結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件在MSC.patran中建立三維有限元模型，見圖1。

圖1 全塢三維有限元模型

結(jié)構(gòu)模型中共有461 810個節(jié)點(diǎn)、110 131個單元(其中殼單元55 873個、梁單元54 258個)、自由度數(shù)為2 770 860個。

2.1.3 計算工況

參照CCS《內(nèi)河浮船塢技術(shù)要求》(2010年)[7]，以工作時的典型工況為計算工況，見圖2。即浮船塢的吃水與中龍骨墩高度正好齊平、被載船抬出水面時的狀態(tài)。

d-計算工況對應(yīng)的吃水；q1-浮箱甲板水壓頭；q2-壓載水對浮箱甲板壓頭；q3-壓載水對船底板壓頭；q4-舷外水對船體外板壓頭；p1-中墩對浮箱甲板壓力；G-浮船塢自重。

圖2浮船塢典型受示意

計算載荷主要包括：①浮船塢自重；②進(jìn)塢船的重量；③壓載水的重量；④舷外靜水壓力(不計波浪影響)；⑤剩余壓載水的重量；⑥浮箱甲板水頭。

上述計算分析中，參照CCS《浮船塢入級規(guī)范》(2009年)[8]，將被載船重量假設(shè)為矩形加拋物線的分布形式，其中被載船重量的2/3 模擬為矩形、1/3 模擬為拋物線分布。載荷大小為

q1+q2=282.73+212.05×
(1-6.10×10-6×(x-48 400)2)

(2)

在patran中線布函數(shù)載荷只能在梁單元上施加，因此針對進(jìn)塢船的線載荷特點(diǎn)，在進(jìn)塢船載荷分布的位置建一條剛度趨于零的“軟梁”。這樣的梁承受載荷后會將載荷傳遞給該梁所依附的實(shí)際結(jié)構(gòu)，在有限元計算過程中由于剛度矩陣中對應(yīng)“軟梁”的剛度趨于零，所以該梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)也趨于零。但載荷引起的變形趨于無窮，因此這樣的梁可以將梁上的載荷很好地傳遞給所依附的結(jié)構(gòu)，而不會影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果的精度，加載后模型見圖3。其余靜水載荷應(yīng)用有限元軟件中的線性分布面壓力函數(shù)，以不同的水深為基準(zhǔn)施加，加載后模型見圖4。

圖3 進(jìn)塢船載荷示意

圖4 靜水壓力載荷示意

2.2 全塢有限元強(qiáng)度評估結(jié)果

全塢主要大應(yīng)力構(gòu)件有限元直接計算結(jié)果與強(qiáng)度評估如表2。

表2 強(qiáng)度評估結(jié)果 MPa

全塢應(yīng)力位移應(yīng)力分布見圖5、6。

圖5 全塢變形云圖

圖6 全塢等效應(yīng)力云圖

3 對比分析

對比分析不同托舉載荷施加方式下、不同約束條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果：即改變規(guī)范計算模型的托舉載荷施加方式為質(zhì)量點(diǎn)離散；改變規(guī)范計算模型中的約束條件為慣性釋放約束，將改變的兩個模型分別計算，對計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3.1 質(zhì)量點(diǎn)形式施加托舉載荷

CCS《浮船塢入級規(guī)范》(2009)中規(guī)定得到進(jìn)塢船載荷分布函數(shù)見式(2)。

在該軟件中指定在有限元模型中進(jìn)塢船重載荷分布范圍為FR18～FR166,施加方式以附加質(zhì)量單元的形式人為離散給載荷作用線上的節(jié)點(diǎn)。質(zhì)量分布見表3。

表3 進(jìn)塢船載荷離散

3.2 慣性釋放約束施加

在MSC.NASTRAN中，使用support卡片選擇節(jié)點(diǎn)41940為參考點(diǎn)施加六個自由度的虛約束。慣性釋放卡片設(shè)置如下。

………………….

PARAM INREL -1

PARAM GRDPNT 41940

SUPORT 41940 123456

…………………

3.3 計算結(jié)果對比

用規(guī)范計算結(jié)果分別對比質(zhì)量點(diǎn)施加托舉載荷和慣性釋放約束下的計算結(jié)果，見表4。

表4 板單元形心處中面應(yīng)力分組對比詳細(xì)結(jié)果

表4中計算結(jié)果取主要分組中板單元形心中面處相當(dāng)應(yīng)力σe的最大值作為對比代表，較為全面的反應(yīng)了全塢的應(yīng)力響應(yīng)。表中的相差意義如下。

通過在“軟梁”上加載進(jìn)塢船載荷使之傳遞給塢體、節(jié)點(diǎn)附加質(zhì)量單元形式加載進(jìn)塢船載荷與規(guī)范計算的對比看到：質(zhì)量點(diǎn)計算結(jié)果與規(guī)范計算結(jié)果σemax的相差范圍為0.14%～5.45%；慣性釋放算結(jié)果與規(guī)范計算結(jié)果σemax的相差范圍為-5.64～-0.10 MPa。前種加載方式應(yīng)力結(jié)果大部分小于規(guī)范計算結(jié)果。其原因是“梁”上的線布載荷會根據(jù)等效節(jié)點(diǎn)載荷原理，通過Nastran內(nèi)部算法較為合理地離散到梁的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上；附加質(zhì)量法根據(jù)載荷分布曲線分段離散成階梯形式加載，在分段時采用保守計算方式增大了進(jìn)塢船重。因此，梁結(jié)果小于質(zhì)量點(diǎn)結(jié)果。偏大的結(jié)果依然在工程計算精度范圍內(nèi)反映了船塢的應(yīng)力響應(yīng)。

4 結(jié)論

1)“軟梁”方式對于符合函數(shù)規(guī)律且線載荷施加部位沒有對應(yīng)的梁單元結(jié)構(gòu)時很適合；對于線或者面載荷不符合函數(shù)規(guī)律或者全塢、全船模型中載荷平衡調(diào)整，質(zhì)量單元加載方式靈活更加適用。

2)慣性釋放要以支座約束為前提，因?yàn)閼T性釋放對模型平衡沒有評判，即不平衡力由虛約束點(diǎn)承擔(dān)，有可能導(dǎo)致計算時的平衡狀態(tài)不是所需要的，所以是不夠準(zhǔn)確的。因此，較好的辦法是先用支座約束，以支座反力值為平衡調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)模型平衡，然后，再應(yīng)用慣性釋放。這樣就可以得到精度較高的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)。

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[7] 中國船級社.內(nèi)河浮船塢技術(shù)要求(2010 年)[S].通函第58 號總第58 號，北京：中國船級社，2010.

[8] 中國船級社.浮船塢入級規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2009.