250 m甲板駁船帶纜樁及其支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析*

程玉芹,王 朝

(1.淮海工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 連云港 222005; 2.淮安市地方海事局,江蘇 淮安 223002)

0 引言

當(dāng)船舶在系泊作業(yè)時(shí),帶纜樁及其支撐結(jié)構(gòu)會(huì)受到重大的載荷作用,因?yàn)橄挡丛O(shè)備及其支撐構(gòu)件的強(qiáng)度不夠?qū)е麓坝鲭U(xiǎn)的事故時(shí)有發(fā)生,因此對(duì)帶纜樁及其支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核顯得尤其重要。文獻(xiàn)[1-5]分別采用MSC/Patran及MD/Nastran軟件對(duì)不同型式的帶纜樁及支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行了校核研究,為不同形式的帶纜樁及其支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

為了保證船舶在系泊作業(yè)中的安全,CCS(中國(guó)船級(jí)社)發(fā)布的MSC/Circ.1175通函[6],要求對(duì)拖帶與系泊設(shè)備的支撐構(gòu)件進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。本文將參考上述學(xué)者在帶纜樁方面的研究,以250 m甲板駁船為例,對(duì)帶纜樁及其支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行校核。根據(jù)帶纜樁所受到的載荷,選取了對(duì)結(jié)構(gòu)破壞最大的受載工況進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。

1 結(jié)構(gòu)基本資料及有限元模型

本船為250 m×80 m×16 m的甲板駁船,帶纜樁處甲板凹陷,結(jié)構(gòu)不同于一般船舶。本文選取27號(hào)肋位處的帶纜樁及其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核,屬于局部應(yīng)力分析問(wèn)題。根據(jù)有限元模型建立的基本要求,模型的邊界取為強(qiáng)構(gòu)件的位置。本模型的邊界取為甲板縱桁、舷側(cè)縱桁與強(qiáng)橫梁,采用MSC/Patran軟件建立有限元模型,帶纜樁、甲板、強(qiáng)橫梁與強(qiáng)肋骨采用板單元,甲板縱骨、舷側(cè)縱骨采用梁?jiǎn)卧?如圖1所示。

圖1 帶纜樁及其支撐結(jié)構(gòu)有限元模型

有限元模擬過(guò)程中的材料模型選擇線彈性模型,密度7 850 kg/m3,彈性模量E=2.1×105MPa,泊松比ν=0.3,許用拉伸應(yīng)力[σ]=235 MPa,許用剪切應(yīng)力[τ]=141 MPa。

2 載荷及邊界條件

因?yàn)槟Ｐ偷淖笥仪昂缶鶠閺?qiáng)構(gòu)件,因此邊界的約束條件設(shè)置為剛性固定約束。正常系泊操作的設(shè)計(jì)負(fù)荷數(shù)值應(yīng)為拖索的破斷負(fù)荷的1.25倍,根據(jù)實(shí)際情況,選取對(duì)結(jié)構(gòu)破壞最大的負(fù)荷作為對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的計(jì)算工況。確定帶纜樁受到的負(fù)荷為30 t,施加在距離面板1.2倍帶纜樁公稱直徑高度上,方向垂直舷側(cè)外板。

3 結(jié)果與分析

本節(jié)將分析在上述載荷及邊界條件下,帶纜樁及其支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形。將建好的有限元模型調(diào)入MSC/Patran及MD/Nastran計(jì)算,上述載荷及邊界條件下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力匯總見(jiàn)表1。帶纜樁及其支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形分布結(jié)果如圖2～圖6所示。

根據(jù)表1及圖2～圖6可得,在帶纜樁受到的最大負(fù)荷為30 t的情況下,結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為222 MPa,出現(xiàn)在帶纜樁下方的支撐肘板處,帶纜樁自身承受的應(yīng)力值為195 MPa,均在許用值以內(nèi),且考慮了設(shè)計(jì)負(fù)荷數(shù)值應(yīng)為拖索的破斷負(fù)荷的1.25倍,故校核的結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求,變形最大值為1.91 mm,量值較小。

表1 結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力

圖2 整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力

圖3 整體結(jié)構(gòu)的變形

圖4 帶纜樁本身的應(yīng)力

圖5 甲板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力

圖6 支撐肘板的應(yīng)力

4 結(jié)論

本文通過(guò)建立250 m甲板駁船的帶纜樁及其支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型,分析了結(jié)構(gòu)在船體最大負(fù)荷下的應(yīng)力以及變形水平,最終結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn):

[1] 潘英杰,楊啟.拖帶與系泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算及加強(qiáng)[J].造船技術(shù),2008(1):11-15.

[2] 崔健,陳家旺,韓強(qiáng),等.全回轉(zhuǎn)拖輪艏部帶纜樁甲板支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].中外船舶科技,2012(2):22-24.

[3] 劉江波,范伯明,姜廣煜，等.某海纜敷設(shè)船系泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].廣東造船,2011(1):29-31.

[4] 王鐵,王慶豐.128 m打樁船帶纜樁支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析[J].江蘇船舶,2010,27(4):13-15.

[5] 王亮,張猛.55 000 DWT 成品油/原油輪系泊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元分析[J].廣船科技,2012(1):8.

[6] 中國(guó)船級(jí)社.MSC/Circ.1175通函：附錄1[Z].北京：中國(guó)船級(jí)社,2005.

[7] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范[M].北京：北京人民交通出版社，2006.

[8] 張振華.潛艇結(jié)構(gòu)水下抗爆能力研究[D].武漢：海軍工程大學(xué)，2004.