縱向桁架對甲板貨船總縱強(qiáng)度的影響分析

朱峻

摘要：本文應(yīng)用有限元軟件分析，對只設(shè)支柱、雙（單）向縱桁架、縱艙壁等3種結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行計算比較，得出了縱向桁架對船體梁總縱彎曲應(yīng)力、彎曲剛度及橫向構(gòu)件強(qiáng)度的影響。

關(guān)鍵詞：總縱強(qiáng)度；縱向桁架；有限元分析

中圖分類號：U661.43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006--7973（2016）05-0042-02

近年來，受國內(nèi)填海工程的影響，沿海、沿江興起了一股建造甲板貨船的熱潮，以江蘇揚州為例，2014、2015兩年間建造的甲板貨船接近50艘，其中不乏“146M近海自航甲板貨船”、“113.9M近海多用途甲板貨船”等大型甲板貨船?？v向桁架作為一項重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計，被廣泛應(yīng)用于此類船舶中。桁架是指由直桿在端部互相連接而成，各桿件受力均以單向拉、壓為主，通過對上下弦桿和腹桿的合理布置，可適應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎矩和剪力分布。由于水平方向的拉、壓內(nèi)力實現(xiàn)了自身平衡，整個結(jié)構(gòu)不對支座產(chǎn)生水平推力。桁架以其結(jié)構(gòu)形式簡單、力學(xué)特性好、節(jié)省鋼料、便于施工等優(yōu)點，受到船舶領(lǐng)域，尤其是甲板貨船等大長深比船舶的青睞。

船舶在航行過程中，船體梁會處于中拱或中垂?fàn)顟B(tài)，船體結(jié)構(gòu)中的縱向桁架會整體受到彎曲的作用。而傳統(tǒng)的船舶等值梁強(qiáng)度理論只能考慮縱向構(gòu)件對總縱彎曲的影響，未能計人縱向桁架對總縱彎曲的貢獻(xiàn)。本文應(yīng)用有限元軟件分析，對只設(shè)支柱、雙（單）向縱桁架、縱艙壁等3種結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行計算比較，重點討論和研究了縱向桁架對船體梁總縱彎曲應(yīng)力、彎曲剛度及橫向構(gòu)件強(qiáng)度的影響。

1.計算模型主尺度及構(gòu)件布置

船長：L=100.0m；船寬：B=16.0m；型深：D=4.0m；

吃水：d=3.0m；主尺度比：L/D=25.0；B/D=4.0

全船為縱骨架式；龍骨、縱桁間距為4.0m；橫向強(qiáng)構(gòu)件間距為2.0 m；橫艙壁間距24.0m；縱骨、扶強(qiáng)材間距為0.5m。

2.模型單元類型、邊界條件及載荷

2.1有限元單元類型

根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)將模型中的各類結(jié)構(gòu)按建造厚度離散為下列幾種類型：

板殼元：甲板、舷側(cè)外板及船底板、內(nèi)底板、縱艙壁及橫艙壁等。

梁元：縱桁、橫梁及水密艙壁扶強(qiáng)材、艙壁桁材等，所有梁元都計及偏心。

桿元：支柱、斜撐等。

2.2邊界條件

為排除剛體位移，在船體首尾節(jié)點上施加6個線位移約束，

首端節(jié)點1：施加縱向、橫向、垂向線位移約束，即；u2=uy=u2=0；

尾封板節(jié)點2：施加垂向線位移約束，即u=0；

尾封板節(jié)點3：施加橫向、垂向線位移約束，即uy=u=0。

2.3載荷及載荷施加（圖1）

（1）為計算準(zhǔn)確方便，構(gòu)件自重作為載荷施加。

（2）總排水量40%的荷重按均布載荷施加，總排水量60%的荷重按三角形載荷施加。

（3）舷外水壓力按靜吃水施加在船體濕表面上。

（4）船體梁跨中彎矩（坐標(biāo)原點在左端，彎矩關(guān)于舯剖面對稱）：

3.有限元計算結(jié)果

采取沿船寬方向間隔4.0m，分別設(shè)置縱向支柱、單向桁架、雙向桁架及縱艙壁等結(jié)構(gòu)，計算各種結(jié)構(gòu)形式下的總縱彎曲應(yīng)力及主要構(gòu)件應(yīng)力的情況，并比較它們之間的差異，見表1。為便于比較分析，在等值梁模型中使其各種結(jié)構(gòu)形式的強(qiáng)力甲板的應(yīng)力恰好等于137.0MPa。

（1）桁架對甲板板彎曲應(yīng)力影響的比較，見表2。

（2）桁架對橫向強(qiáng)構(gòu)件支撐作用的比較（以實肋板應(yīng)力為比較對象），見表3。

（3）桁架對總縱彎曲撓度作用的比較，見表4。

4.計算結(jié)果分析和討論

（1）縱向桁架（或縱艙壁）的設(shè)置可十分有效地改善船體梁斷面的應(yīng)力分布，降低應(yīng)力峰值。當(dāng)設(shè)置間距不大于4.0 m的縱向桁架（或縱艙壁）時，甲板（船底）斷面的應(yīng)力分布基本是均勻的。此時有限元計算的強(qiáng)力甲板沿船長方向最大應(yīng)力與“等值梁”方法計算的彎曲正應(yīng)力基本相等。（圖2-圖4）所示。

（2）在兩橫艙壁或兩舷之間設(shè)置連續(xù)的縱向雙斜桿桁架可等效艙壁，其支柱可作為與其連接的縱、橫向強(qiáng)構(gòu)件（甲板縱桁、龍骨，強(qiáng)橫梁、實肋板）的剛性支撐。單向桁架對縱橫強(qiáng)構(gòu)件的支撐作用較差，其支撐效果相當(dāng)于雙向桁架（縱艙壁）的50%-60%，所以單向桁架不能視為強(qiáng)構(gòu)件的剛性支撐。支柱不能等效設(shè)置斜桿的桁架，且主船體內(nèi)的支柱不能作為強(qiáng)構(gòu)件的剛性支撐。

（3）設(shè)置縱向桁架可增強(qiáng)船體梁的彎曲剛度，降低彎曲應(yīng)力。計算表明設(shè)置間距不大于4.0m的縱桁架時，可使船體剛度增加13.5%左右（設(shè)縱艙壁可使剛度增強(qiáng)23%左右），使總縱彎曲應(yīng)力降低10%左右。