多用途船艙口圍板變形約束有限元校核技術(shù)

王培濤，孫啟榮，萬(wàn)冬冬

(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

多用途船艙口圍板變形約束有限元校核技術(shù)

王培濤，孫啟榮，萬(wàn)冬冬

(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

考慮28 000 DWT多用途船的中間貨艙縱向長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，艙口圍板容易發(fā)生變形，為控制艙口圍板變形量的大小，在艙口蓋與艙口圍板頂板接觸處設(shè)置Semi-fix(有限限制止動(dòng)系統(tǒng))來(lái)抑制艙口的變形，使艙口圍板的變形量始終保持在艙口動(dòng)作可接受的正常范圍內(nèi)。

多用船；貨艙；艙口圍板；艙口蓋；變形

0 引言

28 000 DWT多用途船是集雜貨船、裝箱船、散貨船為一體的一種新型船舶，可以同時(shí)裝載雜貨、大件、谷物、礦砂、煤、集裝箱等不同類型的貨物，配備多個(gè)克令吊，可自行裝卸貨物。該船有3個(gè)貨艙，均為大開(kāi)口形式，其中2號(hào)貨艙艙長(zhǎng)較長(zhǎng)，開(kāi)口為51.75 m×23.2 m，在特定載況下貨艙變形比較嚴(yán)重。貨艙開(kāi)口的變形量大小不僅影響自身的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也影響其他與其接觸或相鄰結(jié)構(gòu)。鑒于結(jié)構(gòu)尺寸的特殊性，可以看出Semi-fix的設(shè)計(jì)對(duì)該船來(lái)說(shuō)是十分重要的，對(duì)強(qiáng)度方面的可靠性的要求尤為重要，因此要對(duì)Semi-fix處進(jìn)行受力研討，以滿足船舶設(shè)計(jì)的要求。

本文通過(guò)對(duì)船體在幾種嚴(yán)重的最可能發(fā)生大變形的載況下的橫傾工況進(jìn)行有限元計(jì)算，分析在各載況下Semi-fix處的受力和貨艙的變形量的情況，確定最大的受力，以便能對(duì)艙口圍板及艙口蓋的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)起到一定的技術(shù)依據(jù)。

1 有限元模型

1.1 整體布置圖

為了便于對(duì)本船特性的了解，可參見(jiàn)圖1的整體布置圖。

圖1 整體布置圖

1.2 船體結(jié)構(gòu)和Semi-fix有限元模型

該船模型為整船模型，艙口蓋不建入模型中，利用NASTRAN中的線性接觸技術(shù)，將Semi-fix簡(jiǎn)化為彈簧模型。Semi-fix沿船體內(nèi)側(cè)和船體外側(cè)的間隙設(shè)置為固定值，其原理是利用迭代約束類方法進(jìn)行計(jì)算，直到間隙收斂為止。模型分析分為2種：

(1)船體發(fā)生左傾時(shí)，在船體模型艙口圍板頂板的4個(gè)肋位處分別建立一定剛度系數(shù)的彈簧單元，彈簧單元與船體右舷的艙口圍板頂板直接連接。

(2)船體發(fā)生右傾時(shí)，在船體模型艙口圍板頂板的2個(gè)肋位處分別建立一定剛度系數(shù)的彈簧單元，彈簧單元與船體右舷的艙口圍板頂板直接連接。船體模型如圖2所示，Semi-fix圖形如圖3所示。

圖2 船體模型

圖3 Semi-fix圖形

1.3 有限元模型的邊界條件

在船體模型尾部的上甲板中心處將X、Y方向的移動(dòng)約束，在其截面的外板兩舷處加上平衡力；將船體模型部分截面上的頂端的2個(gè)在端部的點(diǎn)的Z方向約束，并在它們截面的兩舷的外板上加上平衡力；將船體模型的Fr238的截面上的上甲板中點(diǎn)處的Y方向約束，將截面的上甲板的兩端部的Z方向約束并在截面的外板兩舷處加上平衡力。邊界條件如圖4所示。

圖4 邊界條件

2 載荷選取及其組合工況

2.1 計(jì)算工況

根據(jù)船體的受力情況，考慮在港和航行的波浪外壓、裝貨量的多少和集裝箱相互疊加產(chǎn)生的載荷，選取了幾種最嚴(yán)重的最可能發(fā)生大變形的載況對(duì)模型進(jìn)行加載計(jì)算。

情況1：載況在船舶滿載吃水的狀態(tài)下，1號(hào)、3號(hào)貨艙裝貨最少，2號(hào)貨艙的貨物比較多，2號(hào)貨艙雙層底受到貨物的壓力向下變形，繼而引起2號(hào)貨艙的雙舷側(cè)向內(nèi)壓縮。船體在波浪中向左30°橫搖，船體2號(hào)貨艙雙舷側(cè)受到水壓向內(nèi)壓縮，并且船體向左傾斜，導(dǎo)致集裝箱產(chǎn)生向左載荷。因集裝箱是裝在艙口蓋上的，2號(hào)貨艙艙口蓋與船體的右側(cè)固定連接，左側(cè)是活動(dòng)的Semi-fix，所以當(dāng)船體發(fā)生左傾時(shí)，集裝箱產(chǎn)生的向左的載荷會(huì)使2號(hào)貨艙兩舷側(cè)的艙口向內(nèi)壓縮。

情況2:在船舶滿載吃水的狀態(tài)下，2號(hào)貨艙裝貨最少，當(dāng)受到水壓時(shí)，2號(hào)貨艙向內(nèi)變形比較嚴(yán)重。船體在波浪中向左30°橫搖，集裝箱載荷會(huì)使2號(hào)貨艙兩舷側(cè)的艙口向內(nèi)壓縮。

情況3和情況4：在船舶滿載吃水的狀態(tài)下，1號(hào)、3號(hào)貨艙裝貨最少，2號(hào)貨艙的貨物比較多，2號(hào)貨艙雙層底受到貨物的壓力向下變形，繼而引起2號(hào)貨艙的雙舷側(cè)向內(nèi)壓縮，船體在波浪中發(fā)生向左(情況3)和向右(情況4)的斜浪，導(dǎo)致集裝箱產(chǎn)生向左(情況3)和向右(情況4)載荷，集裝箱產(chǎn)生的向左(情況3)的載荷會(huì)使2號(hào)貨艙兩舷側(cè)的艙口向內(nèi)壓縮，集裝箱產(chǎn)生的向右(情況4)的載荷會(huì)使2號(hào)貨艙兩舷側(cè)的艙口向外擴(kuò)張，情況3和情況4屬于組合情況。

這4種情況是2號(hào)貨艙典型的受力載況。計(jì)算工況見(jiàn)表1，斜浪的組合見(jiàn)表2。

表1 計(jì)算工況

表2 組合載況概要

2.2 集裝箱載荷計(jì)算

集裝箱是裝在貨艙的艙蓋上的，船體在海中遇到各種各樣的風(fēng)浪時(shí)，船體會(huì)發(fā)生前傾、后傾、橫搖等，這里主要考慮船體在左傾和右傾時(shí)，集裝箱對(duì)艙

口圍板處產(chǎn)生的力。計(jì)算集裝箱對(duì)船體產(chǎn)生的載荷時(shí)需考慮蓋板的自重和蓋板上集裝箱的載荷，具體載荷如圖5所示。集裝箱是直接作用在艙口蓋上的，當(dāng)船體發(fā)生左傾時(shí)，集裝箱載荷作用的方向即指向船體左舷的方向；當(dāng)船體發(fā)生右傾時(shí)，集裝箱載荷作用的方向即指向船體右舷的方向。

圖5 1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)貨艙集裝箱載荷

3 Semi-fix的支反力和艙口蓋的變形

3.1 Semi-fix的支反力

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可以得出Semi-fix處的支反力，即彈簧單元的軸力。彈簧單元都是與船體右舷的艙口圍板頂板直接連接，當(dāng)船體貨艙艙口收縮時(shí)，收縮量超過(guò)設(shè)計(jì)間隙的時(shí)候，彈簧單元就會(huì)受到壓縮，即產(chǎn)生壓縮軸力。當(dāng)船體貨艙艙口擴(kuò)張時(shí)，擴(kuò)張量超過(guò)設(shè)計(jì)間隙的時(shí)候，彈簧單元就會(huì)受到拉伸，即產(chǎn)生拉伸軸力。3.2 艙口蓋的變形

模型中的彈簧單元相當(dāng)于是2號(hào)貨艙艙口蓋的簡(jiǎn)化，彈簧單元的拉伸和壓縮也就是艙口蓋在此處的拉伸和壓縮，艙口蓋變形結(jié)果在此就不一一列舉，此處給出艙口蓋最大壓縮變形的模型截圖，如圖6所示。

圖6 艙口蓋變形圖(2號(hào)貨艙 情況3)

4 結(jié)論

本文提出了一種計(jì)算線性接觸的方法，利用該方法對(duì)Semi-fix的受載情況進(jìn)行有效的組合并進(jìn)行有限元計(jì)算，得出Semi-fix處的最大受力及最大變形量。根據(jù)最大受力及最大變形量為艙口蓋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)，同時(shí)也為艙口圍板強(qiáng)度設(shè)計(jì)和二甲板的設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。Semi-fix處的受力及變形的研討對(duì)船舶的性能是很有必要的，可以保證在艙蓋的右側(cè)使用固定限制系統(tǒng)時(shí)，雙殼變形不會(huì)影響艙口蓋的壓緊條、滾輪和軌道的寬度；可以保證在港狀態(tài)時(shí)，艙蓋向外的移動(dòng)不會(huì)侵占左舷上甲板行走通道的空間，向內(nèi)的外移動(dòng)不會(huì)使艙蓋無(wú)法打開(kāi)或關(guān)閉；可以保證航行狀態(tài)時(shí)，艙蓋向外的移動(dòng)不會(huì)與左舷吊機(jī)干涉或貨艙向外的變形不會(huì)使二甲板滑落；可以保證貨艙向內(nèi)的變形不會(huì)導(dǎo)致二甲板艙蓋與雙殼和橫艙壁接觸；可以保證在港狀態(tài)時(shí)，艙蓋的移動(dòng)不會(huì)影響二甲板艙蓋的順利吊離和吊裝；可以保證艙口蓋移動(dòng)時(shí)不會(huì)影響貨艙的密封性。綜上所述，這種線性接觸的方法對(duì)船舶及艙口蓋設(shè)計(jì)有著十分重要的意義。

[1] 羅旭，趙明宇. Femap&NX Nastran基礎(chǔ)及高級(jí)應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

2013-09-03

王培濤(1990-)，男，助理工程師，主要從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；孫啟榮(1968-)，男，高級(jí)工程師，主要從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；萬(wàn)冬冬(1984-)，男，工程師，主要從事有限元分析。

U661.43

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