倒T式塢門結(jié)構(gòu)有限元分析*

劉會議,黃 府

(南通中遠重工有限公司江蘇南通 226001)

倒T式塢門結(jié)構(gòu)有限元分析*

劉會議,黃 府

(南通中遠重工有限公司江蘇南通 226001)

分析了塢門的設(shè)計現(xiàn)狀及特點,介紹了倒T型船塢塢門的設(shè)計參數(shù),根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范,計算分析了塢門板厚選擇、結(jié)構(gòu)型式和受力特點,對塢門的剛度和強度進行有限元計算分析校核,并計算校核了塢門的穩(wěn)性。倒T型船塢塢門結(jié)構(gòu)重量輕,具有很大的經(jīng)濟價值與實用價值。

塢門;有限元分析;剛度;穩(wěn)性;結(jié)構(gòu)強度

0 引 言

塢門是現(xiàn)代船廠船塢的重要組成部分,塢門關(guān)閉后可以阻斷船塢內(nèi)外的水域,利用船塢配套的排水系統(tǒng),將塢室內(nèi)的水排盡,營造出修造船作業(yè)所需的環(huán)境;塢門開啟后塢室內(nèi)的水與塢外的水域連成一片,船舶可以方便地進出。對于沿江堤、海堤布置的塢門,還要求具有防洪、擋潮功能。

塢門的結(jié)構(gòu)形式有浮門式、橫拉門式、人字門式、臥倒門式等,其中浮門式塢門又分為方箱式、比重計式、桶形式。方箱式浮門的外形全部是直線形,制作簡便,環(huán)境適應(yīng)性強,塢門厚度不占用船塢的有效長度,是目前大型船塢采用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式[1-2]。

浮箱式塢門的工作過程是這樣的:開門時,利用塢門內(nèi)的排水系統(tǒng)將壓載水艙內(nèi)的水排除,塢門便逐漸浮起,像船舶一樣漂浮在水面上,用拖船拖移?？吭诖a頭等泊位處;關(guān)門時,先把塢門拖移至所需位置,然后向塢門壓載艙內(nèi)注水,使得門體垂直下沉直到水底。浮箱式塢門關(guān)門時一般依靠壓載水的重力下潛,開門時依靠塢門的浮力上浮。

目前國內(nèi)船廠的塢門一般采用方箱形設(shè)計,該結(jié)構(gòu)設(shè)計計算簡單,制作方便[3-4];但缺點是:結(jié)構(gòu)設(shè)計時沒有充分考慮塢門的受力特性,塢門的受力隨著水深度的增加呈線型增加,塢門局部結(jié)構(gòu)強度富余量很大;導(dǎo)致塢門整體結(jié)構(gòu)重量較大,制造成本很高。研究的倒T型塢門,在方箱型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,從結(jié)構(gòu)型式到結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算,都充分考慮塢門的受力特性。文章研究的船塢所使用箱型塢門與倒T型塢門相比較:箱型塢門結(jié)構(gòu)重量約3 000 t左右,固定壓載約2 000 t,總重量達5 000 t;倒T型塢門結(jié)構(gòu)重量僅約1 300 t,壓載均采用水來調(diào)節(jié),結(jié)構(gòu)總重量僅為方箱型的26%左右。倒T型塢門設(shè)計在制造成本控制、縮短制造周期、安裝、運輸方面均具有著明顯優(yōu)勢。

1 塢門結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 塢門主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

塢門長度L=86.20 m;塢門寬度B=12.00 m;塢門高度H=13.10 m,正常吃水深度8.20 m,極限高水位11.4 m,極限低水位8 m,波浪高度+3.20 m。

1.2 塢門厚度選擇

塢門板材厚度的取值既要使塢門結(jié)構(gòu)滿足承受水壓強度,又不宜過于保守,板厚取值過于保守不僅引起門體鋼結(jié)構(gòu)材料的增加,還會引起固定壓載和塢門管路的增加,對整個塢門造價影響很大,大型塢門尤其如此。根據(jù)塢門設(shè)計規(guī)范《干船塢設(shè)計規(guī)范》(下稱《規(guī)范》)第三篇《塢門及灌水排水系統(tǒng)》(JTJ253-87)第1.3.2條規(guī)定[5]:浮箱式塢門的厚度可取(1/4-1/7)L(L為浮箱門長度),小型塢門取大值,大型塢門取小值。由此可初定塢門厚度為12 m。由于塢門在工作狀態(tài)下的載荷隨著水深度的減小而逐漸減小,因此塢門上部分的板厚可適當(dāng)減小。

1.3 塢門結(jié)構(gòu)確定

根據(jù)塢門工作時承受的水壓載荷隨水深變化特點,塢門中段采用倒“T”形結(jié)構(gòu),兩端為方箱型結(jié)構(gòu),塢門兩端各有兩個壓載艙,中段分為四個壓載艙,如圖1。兩端各分為三個水密艙,中間艙用于安裝電氣系統(tǒng),兩側(cè)為壓載艙。在主體高度上被上、中、下甲板和底板分為三層,由上至下分別為第一層、第二層、第三層。第一層布置通道、控制臺及其他設(shè)備,第二層布置壓載水艙,第三層布置泵閥設(shè)備及管路,如圖2。

塢門結(jié)構(gòu)采用縱骨架式,縱骨間距615 mm,強肋骨間距2 460 mm?？v骨采用焊接角鋼,強肋骨采用鋼板焊接T形梁。塢門承受水壓后,傳力方式如下:大部分水壓力作用在外板上,少部分直接由縱梁和強肋骨承受;外板承受的水壓力傳遞給縱骨和強肋骨,再由縱骨、強肋骨傳遞給縱梁和門檻,縱梁的受力最終傳遞給塢首邊墩。

2 塢門有限元分析

2.1 載荷計算

式中:h為靜水水深,極限高水位時h=11.40 m。

(2)波浪載荷:波浪對塢門靠海一側(cè)的壓力如圖3所示,高于上甲板的擋浪板上作用的波浪力轉(zhuǎn)化為集中力和集中力矩作用在對應(yīng)的骨架節(jié)點[6]。兩端節(jié)點處的集中力與集中力矩分別為:

圖2 塢門內(nèi)部空間布置

圖3 波浪載荷

2.2 有限元計算與分析

建立高效、合理的有限元模型是有限元分析的關(guān)鍵,它不但影響計算的精度和速度,還會影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此,在有限元分析過程中合理簡化結(jié)構(gòu)模型,正確表達主要結(jié)構(gòu)顯得十分重要。采用ANSYS WORKBENCH 15.0有限元軟件進行分析,在不影響分析結(jié)果的前提下,對塢門結(jié)構(gòu)采取一定的簡化措施:根據(jù)塢門的受力特點,塢門結(jié)構(gòu)中部分斜撐、綴板及肋骨的翼緣等均忽略不計,塢門上、中、下甲板、底板、各立面板和加強板腹板均為中厚板,采用ANSYS軟件中的SHELL181單元模擬,該單元能較好地反映中厚板的力學(xué)特性;主要剖面處的縱橫骨架不僅要參與拉、壓作用,部分構(gòu)件還參與彎曲變形作用,因此采用ANSYS中的BEAM 188單元模擬[6];相對于塢門尺寸,塢體上部分尺寸較小的孔洞,對結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響也可忽略,因而在模型中均未予考慮,但沖水孔的孔洞和進入梯道孔按刪去相應(yīng)面、線的單元來實現(xiàn),相應(yīng)的載荷以Node集中力的形式來考慮。

由于本塢門為浮箱式塢門,且是以重力自灌水方式下沉,因此塢門底部約束取豎直(Y向)位移約束為剛性約束;塢門整體結(jié)構(gòu)在實際操作過程中不能發(fā)生沿船塢縱向(Z向)位移,因此,可以在塢門兩側(cè)及塢門陸板與塢檻接觸部分取“U”形支撐面,支撐面均取水平(Z向)位移約束為剛性約束。

以最大水壓載荷計算,塢門變形情況、應(yīng)力分布計算結(jié)果分別如圖4、5所示。

圖4 塢門門體變形情況

圖5 塢門門體應(yīng)力分布

由圖4可知,塢門門體中部撓度最大,兩端逐漸減小,最大撓度值75 mm(建模時由于省略了加強小扁鐵,圖中部分板面的局部變形忽略),根據(jù)設(shè)計規(guī)范規(guī)定:不考慮門檻的支承作用,塢門門體橫梁的最大撓度與計算跨度之比一般不超過1/1 000 L,因此塢門結(jié)構(gòu)強度是滿足設(shè)計要求的。

由圖5可知,塢門門體最大應(yīng)力為275 MPa,位于塢門底部斜面上,該處材質(zhì)為Q345B,塢門結(jié)構(gòu)能夠滿足強度設(shè)計要求,但考慮實際使用的安全性(加放一定的安全系數(shù)),塢門底部局部應(yīng)力較大區(qū)域需要作結(jié)構(gòu)加強。

2.3 塢門穩(wěn)性分析

經(jīng)估算,塢門自身鋼板質(zhì)量:1 276 t,固定壓載質(zhì)量:1 315 t,在最高水位時塢門注入水量2 430 m3,由此可得:

根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定,浮箱式塢門在使用期必須保證最高水位時的總重量大于總浮力,其差值一般控制在(4%～8%)W為宜(W為浮箱式塢門輕載吃水時的總重量)[5]。因此,該塢門的穩(wěn)性符合規(guī)范要求。

3 結(jié) 論

(1)倒T式塢門結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)型式可行,重量比方箱型結(jié)構(gòu)節(jié)省材料,制作運輸簡單方便,具有巨大的經(jīng)濟價值和使用價值。

(2)通過計算分析,塢門剛度的剛度、穩(wěn)性滿足規(guī)范要求,塢門底部局部應(yīng)力較大,從使用安全性考慮,需要對該處結(jié)構(gòu)作局部加強。

(3)塢門尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,整體建模分析時,有限元模型的優(yōu)劣直接影響計算速度和計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體情況進行適當(dāng)簡化。

[1] 黃 履.船塢閘門設(shè)計[M].北京:人民交通出版社,1981.

[2] 南 毅.萬噸級注水式船塢浮箱式塢門設(shè)計淺析[J].造船技術(shù),1994(7):8-11.

[3] 顧建新.關(guān)于大型造船塢設(shè)計的初探[J].造船工業(yè)建設(shè),2005 (3):23-26.

[4] 荒谷俊司.大型船塢的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工[M].北京:科學(xué)出版社, 1978.

[5] 中國船級社.干船塢設(shè)計規(guī)范[M].北京:人民交通出版社, 1987.

[6] 楊永祥,李永正,王慶豐.干船塢浮箱式塢門結(jié)構(gòu)強度的有限元分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2010(1):38-41.

Finite Element Analysis for Inverted T Type Dock Gate Structure

LIU Hui-yi,HUANG Fu
(Nantong COSCO Heavy Industry Co.,Ltd,Nantong Jiangsu 226001,China)

In this paper,the present situation and design characteristics of the dock gate are analyzed,and design parameters of the T type dock gate are introduced.The thickness selection,the structure type and the mechanical characteristics of the dock gate are calculated and analyzed according to the relevant design specifications;the stiffness and strength of the dock gate are checked based on the finite element analysis,as well as the stability.The inverted T type dock gate has lighter weight and will bring great economic and practical value.

dock gate;finite element analysis;rigidity;stability;structural strength

U673.331

A

1007-4414(2015)05-0059-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.019

2015-07-11

劉會議(1973-),男,湖北陽新人,工程師,研究方向:船用龍門吊、船體、機構(gòu)學(xué)、有限元分析。