84 m超規(guī)范分節(jié)駁全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

84 m超規(guī)范分節(jié)駁全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

蔣汝斌, 谷家揚(yáng), 管義鋒, 朱玥

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要：84 m分節(jié)駁船為橫骨架式結(jié)構(gòu)，雙舷側(cè)寬度與雙底高度均小于規(guī)范規(guī)定。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，船體強(qiáng)度很難采用常規(guī)規(guī)范中的艙段有限元模型或梁理論來進(jìn)行校核，因而采用MSC.Patran/Nastran軟件建立了84 m分節(jié)駁船有限元模型，基于坦谷波方法施加了舷外水壓力，同時(shí)貨物與波浪扭矩以等效分布載荷形式進(jìn)行施加，計(jì)算得到全船在不同工況下的應(yīng)力分布與相對(duì)變形，為船廠的后續(xù)設(shè)計(jì)與制造提供依據(jù)和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：分節(jié)駁；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；有限元分析；設(shè)計(jì)規(guī)范

0引言

分節(jié)駁因其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，施工方便，造價(jià)低廉，已成為內(nèi)河航運(yùn)的主要運(yùn)輸船舶之一。為提高運(yùn)輸效益，減小航運(yùn)成本，船東通常根據(jù)貨物運(yùn)輸要求，利用拖船或頂推船組成駁船船隊(duì)。

本文研究的84 m分節(jié)駁，由于航道和自身設(shè)計(jì)的特殊性，其船體雙舷側(cè)寬度與雙底高度為0.6 m，均小于規(guī)范規(guī)定，故采用全船有限元計(jì)算的方法，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核分析，為船廠的后續(xù)設(shè)計(jì)與制造提供依據(jù)和指導(dǎo)。

應(yīng)用有限元法，可將船體結(jié)構(gòu)離散為能精確模擬其承載和變形情況的有限個(gè)單元，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)對(duì)載荷的響應(yīng)，是目前船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中誤差最小、最完善的方法[1—2]。

1有限元建模與工況加載

1.1　實(shí)船資料

84 m分節(jié)駁為鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)、雙層底、雙舷側(cè)的大開口船，共設(shè)有145個(gè)肋位，8道橫艙壁。平行中體貨艙區(qū)肋距600 mm，首尾肋距500 mm。典型橫剖面如圖1所示。船舶主要參數(shù)如下：

總長(zhǎng)

84 m

水線長(zhǎng)

83.94 m

圖1　典型橫剖面圖

垂線間長(zhǎng)

83.94 m

型寬

11.40 m

型深

3.68 m

設(shè)計(jì)吃水

2.77 m

航區(qū)

B級(jí)

1.2　全船有限元模型的建立

全船有限元模型必須囊括整個(gè)船體結(jié)構(gòu)。為提高效率，建模時(shí)采用子結(jié)構(gòu)技術(shù)[3—4]，將船體分為艏部、平行中體、艉部等子艙段，并進(jìn)一步細(xì)分，將船體主要構(gòu)件按結(jié)構(gòu)形式，分成甲板結(jié)構(gòu)、舷側(cè)結(jié)構(gòu)、雙層底等子結(jié)構(gòu)，這樣建模有利于后續(xù)空船重量重心調(diào)整。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]，本船有限元網(wǎng)格劃分的大小以肋距為基準(zhǔn)，甲板、船體外板、首尾船底縱桁腹板等用二維3、4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬，采用2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M縱骨、縱桁面板等小尺寸構(gòu)件。本模型單元數(shù)為144 846個(gè)。圖2為有限元模型示意圖，圖3為艉部結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖。

普通船用鋼材料特性：泊松比0.3，彈性模量E=2.06×105MPa，屈服強(qiáng)度235 MPa。

1.3　邊界條件

參考《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2014)，首端節(jié)點(diǎn)1施加三向線位移約束：即u1x=u1y=u1z=0；尾封板節(jié)點(diǎn)2約束Z方向線位移，即u2z=0；尾封板節(jié)點(diǎn)3約束Y向與Z向線位移，即u3y=u3z=0。邊界條件示意圖如圖4。

圖2　全船有限元模型

圖3　艉部結(jié)構(gòu)有限元模型(隱去甲板)

圖4　邊界條件示意圖

1.4　計(jì)算工況選取

本船穩(wěn)性計(jì)算書給出了4種工況，本文選取其中2種典型危險(xiǎn)工況進(jìn)行有限元分析，詳見表1。

表1　計(jì)算工況

1.5　載荷施加及計(jì)算過程

船舶滿載出港時(shí)貨物重量為2 200 t，重心高度為2.62 m。貨物對(duì)內(nèi)底、內(nèi)舷以及貨艙兩端橫艙壁的壓力以面壓(Pressure)的形式施加。同時(shí)，在有限元中調(diào)整材料的密度屬性，減小有限元模型與實(shí)船的重量、重心位置差異，使有限元模型的重量、重心位置與穩(wěn)性計(jì)算書給出的相近[4]。

舷外水壓力根據(jù)計(jì)算工況船舶處于平衡狀態(tài)時(shí)的設(shè)計(jì)波，按壓力分布施加到模型的濕表面各單元上，滿載工況時(shí)取中垂波面，空載工況時(shí)取中拱波面。設(shè)計(jì)波等效為坦谷波，波長(zhǎng)等于垂線間長(zhǎng)，波高h(yuǎn)e等于式(1)計(jì)算所得之值[5]：

he=αw(29 593-120.89L+0.223 21L2)×10-4

(1)

式中：L為垂線間長(zhǎng)，L=83.94 m；αw為航區(qū)波高修正系數(shù)，B級(jí)航區(qū)αw=0.6。

經(jīng)計(jì)算，he=1.26 m。

按坦谷波理論修正船舶浮態(tài)確定船舶在波浪上的平衡位置時(shí)，坦谷波波面到波軸線的垂向坐標(biāo)y按式(2)計(jì)算為：

(2)

波浪扭矩與貨物扭矩按照文獻(xiàn)[5]以垂向等效分布載荷的形式反對(duì)稱施加在尾垂線與首垂線間沿兩舷的強(qiáng)力甲板邊線上，且保持波浪扭矩和貨物扭矩的方向一致。

波浪扭矩等效分布載荷pt(x)按式(3)計(jì)算：

(3)

式中：pt(x)為波浪扭矩等效分布載荷，kN/m；b(x)為單位分布扭矩的等效力偶臂，取兩對(duì)稱計(jì)算點(diǎn)間的距離，b(x)=11.4 m；mT(x)為波浪扭矩的分布扭矩，kN·m/m，按式(4)計(jì)算：

(4)

其中：MT(x)為波浪扭矩沿船長(zhǎng)的分布，kN·m，按式(5)計(jì)算：

(5)

其中：αt為航區(qū)修正系數(shù)，B級(jí)αt=374L-1.482；Kt為系數(shù)，Kt=(2 394.6-18.46L+0.046 7L2)×10-5；ZS為船中大開口剖面的扭轉(zhuǎn)中心至船底基線的距離，ZS=1.54 m；D為型深，D=3.68 m。

貨物扭矩等效分布載荷ptc(x)按式(6)計(jì)算：

(6)

式中：ptc(x)為貨物扭矩等效分布載荷，kN/m；mtc(x)為貨物扭矩的分布扭矩，kN·m/m，按式(7)計(jì)算：

(7)

其中：Mtc(x)為貨物扭矩沿船長(zhǎng)的分布，kN·m ，按式(8)計(jì)算：

(8)

其中：MTCO為船中處的最大貨物扭矩，kN·m，按式(9)計(jì)算：

裝載散貨時(shí)：MTCO=0.245Gb

(9)

其中：G為裝載貨物總量，G=2 200 t；b為貨艙寬度，b=10.1 m。

2結(jié)果分析

通過MSC.Nastran 計(jì)算施載模型，將84 m分節(jié)駁主要構(gòu)件在2個(gè)工況下的應(yīng)力進(jìn)行整理匯總，見表2。

滿載、空載工況下船體相對(duì)應(yīng)力云圖分布分別如圖5、圖6所示，滿載、空載工況下船體相對(duì)變形云圖分別如圖7、圖8所示。

表2　船體主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大應(yīng)力匯總

計(jì)算分析表明：

(1) 結(jié)合表2與圖5分析，滿載工況時(shí)，由于貨物扭矩與波浪扭矩的雙重作用，貨艙兩端主甲板與內(nèi)舷側(cè)板交匯處出現(xiàn)小范圍高應(yīng)力集中；同時(shí)，由于該工況下船舶處于中垂?fàn)顟B(tài)且發(fā)生扭轉(zhuǎn)(如圖7所示)，因此艙口圍板應(yīng)力也相對(duì)較大，船體應(yīng)力分布總體呈“中間大兩頭小”的趨勢(shì)，這與船舶實(shí)際航行狀態(tài)相符合。

(2) 從圖6可以看到空載工況時(shí)，整體應(yīng)力分布較為均勻且較小，但由于扭轉(zhuǎn)的作用，導(dǎo)致一舷應(yīng)力相對(duì)較大，此時(shí)船體結(jié)構(gòu)變形以扭轉(zhuǎn)為主(如圖8所示)。高應(yīng)力主要出現(xiàn)在艏封板中心向后區(qū)域，尤以船底最為明顯，其他船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有冗余，這是以往通過艙段有限元很難發(fā)現(xiàn)的，可作為后續(xù)調(diào)整加強(qiáng)艏部結(jié)構(gòu)的依據(jù)。

圖5　滿載工況下船體相對(duì)應(yīng)力云圖分布

圖6　空載工況下船體相對(duì)應(yīng)力云圖分布

圖7　滿載工況下船體相對(duì)變形云圖

圖8　空載工況下船體相對(duì)變形云圖

(3) 2種典型危險(xiǎn)工況下，除主甲板與內(nèi)舷側(cè)板高應(yīng)力集中區(qū)域外，船體主要

構(gòu)件應(yīng)力較小且傳遞平緩，無明顯應(yīng)力突變區(qū)域，實(shí)肋板等開口處無應(yīng)力集中現(xiàn)象，兩工況下強(qiáng)肋位最大相當(dāng)應(yīng)力約40 MPa。

(4) 分析圖7與圖8可得，由于本船采用橫骨架式，無縱骨對(duì)船體總縱強(qiáng)度進(jìn)行支撐，且實(shí)肋板高度受限于雙層底高度，600 mm的雙舷側(cè)寬度限制了橫向構(gòu)件的大小，故在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力與縱向應(yīng)力的作用下，滿載工況時(shí)船體結(jié)構(gòu)變形較同類型縱骨架式船舶明顯，艙口圍板最大變形位移達(dá)到156 mm；空載出港時(shí)最大變形區(qū)域出現(xiàn)在Fr129橫艙壁(即貨艙首端)與艙口圍板頂緣交匯區(qū)域，變形位移為29.4 mm。

3結(jié)論

(1)2種工況計(jì)算結(jié)果表明，由于本船為非自航駁船，尾部無主機(jī)及配套構(gòu)件，因此首尾重量差異較小。通過調(diào)整材料密度屬性的方式來調(diào)整空船重量重心分布，并基于坦谷波修正船舶浮態(tài)施加舷外水壓力，同時(shí)以等效分布載荷的形式施加波浪扭矩與貨物扭矩進(jìn)行有限元模擬分析具有較高的可靠性。

(2)本次模擬真實(shí)預(yù)報(bào)了各工況下船體的相對(duì)變形，獲得了船體外板、甲板、艙口圍板等主要構(gòu)件的最大相當(dāng)應(yīng)力與縱向應(yīng)力，并發(fā)現(xiàn)船舶在滿載工況時(shí)，其貨艙兩端主甲板與內(nèi)舷側(cè)板交匯區(qū)域會(huì)出現(xiàn)小范圍高應(yīng)力集中，因此該區(qū)域板厚可做適當(dāng)加強(qiáng)；同時(shí)艙口圍板的應(yīng)力與變形也相對(duì)較大，可適當(dāng)增加板厚。

(3)本文提供了針對(duì)內(nèi)河超規(guī)范駁船有限元建模和加載的基本步驟，對(duì)同類型船舶的全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析起到借鑒作用。

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中圖分類號(hào)：U661.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：蔣汝斌(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。

收稿日期：2015-02-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51309123)；江蘇省高校自然科學(xué)研究資助項(xiàng)目(13KJB570002)；海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(1407)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)