內(nèi)河自卸砂船載貨斜板強橫梁強度分析

陳偉

摘 要：在考慮端部支撐及強橫梁跨中縱桁影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元方法，得到載貨斜板強橫梁剖面模數(shù)計算公式，并采用有限元計算和實船數(shù)據(jù)對該公式的合理性進行了驗證。

關(guān)鍵詞：自卸砂船 強橫梁 剖面模數(shù) 有限元

內(nèi)河自卸砂船的橫剖面如圖1所示，由于載貨斜板的存在，其貨艙區(qū)的載荷和結(jié)構(gòu)受力存在特殊性。然而，規(guī)范中關(guān)于自卸砂船載貨斜板強橫梁剖面模數(shù)的計算僅參照干貨船進行，這就忽略了自卸砂船結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理。

首先以載貨斜板下端縱向桁架間的強橫梁為研究對象，按受均布載荷的簡支梁進行計算，得到斜板強橫梁剖面模數(shù)的計算公式；再應(yīng)用有限元方法，分析斜板強橫梁兩端支撐情況和強橫梁跨中縱桁的影響，對公式進行修正，最后采用系列模型計算和實船數(shù)據(jù)驗證修正公式的合理性。

自卸砂船載貨斜板上端計算壓頭逐漸減少，下端逐漸增大，同時斜板下方均設(shè)有縱向桁架，因此將斜板下端縱向桁架之間的強橫梁簡化為兩端簡支、受均布載荷的單跨梁進行計算，如圖2所示。

1、端部支撐

公式（3）是以強橫梁兩端的支撐結(jié)構(gòu)可作為其剛性支點得到的，而實際中強橫梁下端的積水艙縱艙壁高度較小，剛度較差，其能否作為剛性支點需要采用有限元方法進一步研究。

為尋找規(guī)律，設(shè)計了船長80m，100m和120m的三艘型船，船體板、梁等主要構(gòu)件尺寸均按規(guī)范設(shè)計。計算中通過邊界條件的變化來分析端部支撐的影響：①船首中縱剖面一點施加縱向、橫向、垂向線位移約束，船尾實肋板與船底交線一端施加垂向線位移約束，另一端施加橫向、垂向線位移約束。②在（1）的基礎(chǔ)上，將內(nèi)外舷、縱桁架、縱艙壁的垂向線位移約束，如圖3所示。

兩種邊界條件下強橫梁最大軸向應(yīng)力如表1所示：

結(jié)果顯示，實際情況下強橫梁的應(yīng)力約為簡支模型的1.7～1.9倍，因此，縱艙壁只能作為斜板強橫梁的彈性支點；強橫梁所需的最小模數(shù)應(yīng)在簡支模型的基礎(chǔ)上進行修正，修正系數(shù)Ce取為1.7～1.9。

2、跨中縱桁

公式（3）中將載貨斜板強橫梁直接簡化為單跨梁，而實際強橫梁跨中可能會設(shè)有縱桁，因此需要對比強橫梁跨中有、無縱桁時的強度。

有限元模型如圖4所示：強橫梁的跨長分別取3m、4.5m和6m，每種情況下縱桁跨長作系列變化，取為強橫梁間距的2～6倍，結(jié)果如表2所示：

強橫梁跨長為3m時，跨中無縱桁時的應(yīng)力理論解為端部52.3MPa，跨間90.7 MPa，有限元解與理論解偏差在10%以內(nèi)；跨長為4.5m時，跨中無縱桁時的應(yīng)力理論解為端部342.7 MPa，跨間207.6 MPa，有限元解與理論解偏差在8%以內(nèi)；而跨長為6m時，跨中無縱桁時的應(yīng)力理論解為端部656 MPa，跨間369 MPa，有限元解與理論解偏差在5%以內(nèi)。因此，當(dāng)強橫梁跨間設(shè)縱桁時，其模數(shù)要求可在跨間無縱桁模型的基礎(chǔ)上乘以折減系數(shù)，折減系數(shù)Cg按表3取值：

考慮到自卸砂船的縱桁跨長一般均大于3倍的強橫梁間距，跨中縱桁的支撐系數(shù)可取1，即不必考慮跨中縱桁的影響。

剖面模數(shù)計算公式修正與驗證

1、公式修正

綜上所述，載貨斜板強橫梁的剖面模數(shù)可在簡支梁模型的基礎(chǔ)上，考慮端部支撐和跨中支撐的修正，其計算公式如下：

2、模型驗證

根據(jù)公式（4），重新確定載貨斜板強橫梁的尺寸，以三型船有限元模型進行計算，應(yīng)力結(jié)果如表4所示：

從上表可知，采用修正公式確定的斜板強橫梁尺寸，其應(yīng)力滿足要求，且具備一定的安全系數(shù)。

3、實船驗證

根據(jù)現(xiàn)有典型實船的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，實船強橫梁模數(shù)與修正公式計算的模數(shù)對比如表5所示：

以上資料表明，實船載貨斜壁強橫梁剖面模數(shù)完全滿足要求。

因此，通過上述模型計算結(jié)果和實船統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，本文提出的內(nèi)河自卸砂船載貨斜壁強橫梁最小剖面模數(shù)計算公式是合理可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國船級社.內(nèi)河新建自卸砂船檢驗補充要求[M].中國海事局，2013.

[2] 徐秉漢 徐絢 徐銘麒譯.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[3] 中國船級社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范 [M].北京：人民交通出版社，2012.

（作者單位：安徽省江淮船舶檢驗局）

摘 要：在考慮端部支撐及強橫梁跨中縱桁影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元方法，得到載貨斜板強橫梁剖面模數(shù)計算公式，并采用有限元計算和實船數(shù)據(jù)對該公式的合理性進行了驗證。

關(guān)鍵詞：自卸砂船 強橫梁 剖面模數(shù) 有限元

內(nèi)河自卸砂船的橫剖面如圖1所示，由于載貨斜板的存在，其貨艙區(qū)的載荷和結(jié)構(gòu)受力存在特殊性。然而，規(guī)范中關(guān)于自卸砂船載貨斜板強橫梁剖面模數(shù)的計算僅參照干貨船進行，這就忽略了自卸砂船結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理。

首先以載貨斜板下端縱向桁架間的強橫梁為研究對象，按受均布載荷的簡支梁進行計算，得到斜板強橫梁剖面模數(shù)的計算公式；再應(yīng)用有限元方法，分析斜板強橫梁兩端支撐情況和強橫梁跨中縱桁的影響，對公式進行修正，最后采用系列模型計算和實船數(shù)據(jù)驗證修正公式的合理性。

自卸砂船載貨斜板上端計算壓頭逐漸減少，下端逐漸增大，同時斜板下方均設(shè)有縱向桁架，因此將斜板下端縱向桁架之間的強橫梁簡化為兩端簡支、受均布載荷的單跨梁進行計算，如圖2所示。

1、端部支撐

公式（3）是以強橫梁兩端的支撐結(jié)構(gòu)可作為其剛性支點得到的，而實際中強橫梁下端的積水艙縱艙壁高度較小，剛度較差，其能否作為剛性支點需要采用有限元方法進一步研究。

為尋找規(guī)律，設(shè)計了船長80m，100m和120m的三艘型船，船體板、梁等主要構(gòu)件尺寸均按規(guī)范設(shè)計。計算中通過邊界條件的變化來分析端部支撐的影響：①船首中縱剖面一點施加縱向、橫向、垂向線位移約束，船尾實肋板與船底交線一端施加垂向線位移約束，另一端施加橫向、垂向線位移約束。②在（1）的基礎(chǔ)上，將內(nèi)外舷、縱桁架、縱艙壁的垂向線位移約束，如圖3所示。

兩種邊界條件下強橫梁最大軸向應(yīng)力如表1所示：

結(jié)果顯示，實際情況下強橫梁的應(yīng)力約為簡支模型的1.7～1.9倍，因此，縱艙壁只能作為斜板強橫梁的彈性支點；強橫梁所需的最小模數(shù)應(yīng)在簡支模型的基礎(chǔ)上進行修正，修正系數(shù)Ce取為1.7～1.9。

2、跨中縱桁

公式（3）中將載貨斜板強橫梁直接簡化為單跨梁，而實際強橫梁跨中可能會設(shè)有縱桁，因此需要對比強橫梁跨中有、無縱桁時的強度。

有限元模型如圖4所示：強橫梁的跨長分別取3m、4.5m和6m，每種情況下縱桁跨長作系列變化，取為強橫梁間距的2～6倍，結(jié)果如表2所示：

強橫梁跨長為3m時，跨中無縱桁時的應(yīng)力理論解為端部52.3MPa，跨間90.7 MPa，有限元解與理論解偏差在10%以內(nèi)；跨長為4.5m時，跨中無縱桁時的應(yīng)力理論解為端部342.7 MPa，跨間207.6 MPa，有限元解與理論解偏差在8%以內(nèi)；而跨長為6m時，跨中無縱桁時的應(yīng)力理論解為端部656 MPa，跨間369 MPa，有限元解與理論解偏差在5%以內(nèi)。因此，當(dāng)強橫梁跨間設(shè)縱桁時，其模數(shù)要求可在跨間無縱桁模型的基礎(chǔ)上乘以折減系數(shù)，折減系數(shù)Cg按表3取值：

考慮到自卸砂船的縱桁跨長一般均大于3倍的強橫梁間距，跨中縱桁的支撐系數(shù)可取1，即不必考慮跨中縱桁的影響。

剖面模數(shù)計算公式修正與驗證

1、公式修正

綜上所述，載貨斜板強橫梁的剖面模數(shù)可在簡支梁模型的基礎(chǔ)上，考慮端部支撐和跨中支撐的修正，其計算公式如下：

2、模型驗證

根據(jù)公式（4），重新確定載貨斜板強橫梁的尺寸，以三型船有限元模型進行計算，應(yīng)力結(jié)果如表4所示：

從上表可知，采用修正公式確定的斜板強橫梁尺寸，其應(yīng)力滿足要求，且具備一定的安全系數(shù)。

3、實船驗證

根據(jù)現(xiàn)有典型實船的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，實船強橫梁模數(shù)與修正公式計算的模數(shù)對比如表5所示：

以上資料表明，實船載貨斜壁強橫梁剖面模數(shù)完全滿足要求。

因此，通過上述模型計算結(jié)果和實船統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，本文提出的內(nèi)河自卸砂船載貨斜壁強橫梁最小剖面模數(shù)計算公式是合理可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國船級社.內(nèi)河新建自卸砂船檢驗補充要求[M].中國海事局，2013.

[2] 徐秉漢 徐絢 徐銘麒譯.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[3] 中國船級社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范 [M].北京：人民交通出版社，2012.

（作者單位：安徽省江淮船舶檢驗局）

摘 要：在考慮端部支撐及強橫梁跨中縱桁影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元方法，得到載貨斜板強橫梁剖面模數(shù)計算公式，并采用有限元計算和實船數(shù)據(jù)對該公式的合理性進行了驗證。

關(guān)鍵詞：自卸砂船 強橫梁 剖面模數(shù) 有限元

內(nèi)河自卸砂船的橫剖面如圖1所示，由于載貨斜板的存在，其貨艙區(qū)的載荷和結(jié)構(gòu)受力存在特殊性。然而，規(guī)范中關(guān)于自卸砂船載貨斜板強橫梁剖面模數(shù)的計算僅參照干貨船進行，這就忽略了自卸砂船結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理。

首先以載貨斜板下端縱向桁架間的強橫梁為研究對象，按受均布載荷的簡支梁進行計算，得到斜板強橫梁剖面模數(shù)的計算公式；再應(yīng)用有限元方法，分析斜板強橫梁兩端支撐情況和強橫梁跨中縱桁的影響，對公式進行修正，最后采用系列模型計算和實船數(shù)據(jù)驗證修正公式的合理性。

自卸砂船載貨斜板上端計算壓頭逐漸減少，下端逐漸增大，同時斜板下方均設(shè)有縱向桁架，因此將斜板下端縱向桁架之間的強橫梁簡化為兩端簡支、受均布載荷的單跨梁進行計算，如圖2所示。

1、端部支撐

公式（3）是以強橫梁兩端的支撐結(jié)構(gòu)可作為其剛性支點得到的，而實際中強橫梁下端的積水艙縱艙壁高度較小，剛度較差，其能否作為剛性支點需要采用有限元方法進一步研究。

為尋找規(guī)律，設(shè)計了船長80m，100m和120m的三艘型船，船體板、梁等主要構(gòu)件尺寸均按規(guī)范設(shè)計。計算中通過邊界條件的變化來分析端部支撐的影響：①船首中縱剖面一點施加縱向、橫向、垂向線位移約束，船尾實肋板與船底交線一端施加垂向線位移約束，另一端施加橫向、垂向線位移約束。②在（1）的基礎(chǔ)上，將內(nèi)外舷、縱桁架、縱艙壁的垂向線位移約束，如圖3所示。

兩種邊界條件下強橫梁最大軸向應(yīng)力如表1所示：

結(jié)果顯示，實際情況下強橫梁的應(yīng)力約為簡支模型的1.7～1.9倍，因此，縱艙壁只能作為斜板強橫梁的彈性支點；強橫梁所需的最小模數(shù)應(yīng)在簡支模型的基礎(chǔ)上進行修正，修正系數(shù)Ce取為1.7～1.9。

2、跨中縱桁

公式（3）中將載貨斜板強橫梁直接簡化為單跨梁，而實際強橫梁跨中可能會設(shè)有縱桁，因此需要對比強橫梁跨中有、無縱桁時的強度。

有限元模型如圖4所示：強橫梁的跨長分別取3m、4.5m和6m，每種情況下縱桁跨長作系列變化，取為強橫梁間距的2～6倍，結(jié)果如表2所示：

強橫梁跨長為3m時，跨中無縱桁時的應(yīng)力理論解為端部52.3MPa，跨間90.7 MPa，有限元解與理論解偏差在10%以內(nèi)；跨長為4.5m時，跨中無縱桁時的應(yīng)力理論解為端部342.7 MPa，跨間207.6 MPa，有限元解與理論解偏差在8%以內(nèi)；而跨長為6m時，跨中無縱桁時的應(yīng)力理論解為端部656 MPa，跨間369 MPa，有限元解與理論解偏差在5%以內(nèi)。因此，當(dāng)強橫梁跨間設(shè)縱桁時，其模數(shù)要求可在跨間無縱桁模型的基礎(chǔ)上乘以折減系數(shù)，折減系數(shù)Cg按表3取值：

考慮到自卸砂船的縱桁跨長一般均大于3倍的強橫梁間距，跨中縱桁的支撐系數(shù)可取1，即不必考慮跨中縱桁的影響。

剖面模數(shù)計算公式修正與驗證

1、公式修正

綜上所述，載貨斜板強橫梁的剖面模數(shù)可在簡支梁模型的基礎(chǔ)上，考慮端部支撐和跨中支撐的修正，其計算公式如下：

2、模型驗證

根據(jù)公式（4），重新確定載貨斜板強橫梁的尺寸，以三型船有限元模型進行計算，應(yīng)力結(jié)果如表4所示：

從上表可知，采用修正公式確定的斜板強橫梁尺寸，其應(yīng)力滿足要求，且具備一定的安全系數(shù)。

3、實船驗證

根據(jù)現(xiàn)有典型實船的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，實船強橫梁模數(shù)與修正公式計算的模數(shù)對比如表5所示：

以上資料表明，實船載貨斜壁強橫梁剖面模數(shù)完全滿足要求。

因此，通過上述模型計算結(jié)果和實船統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，本文提出的內(nèi)河自卸砂船載貨斜壁強橫梁最小剖面模數(shù)計算公式是合理可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國船級社.內(nèi)河新建自卸砂船檢驗補充要求[M].中國海事局，2013.

[2] 徐秉漢 徐絢 徐銘麒譯.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[3] 中國船級社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范 [M].北京：人民交通出版社，2012.

（作者單位：安徽省江淮船舶檢驗局）