基于有限元直接計(jì)算的某型船甲板設(shè)備加裝改造設(shè)計(jì)

崔宏林，王金鑫，全春典

（1.中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧葫蘆島125000；2.渤海船舶職業(yè)學(xué)院,遼寧興城125105；3.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東廣州510715）

在船舶改裝施工時(shí)，常常會(huì)有在甲板上加裝設(shè)備的需求，為保證設(shè)備正常工作并確保加裝船及甲板操作人員的安全，需要對(duì)加裝后的甲板強(qiáng)度及總縱強(qiáng)度做精確的計(jì)算并校核。

有限元法是一種基于變分原理的把連續(xù)體離散化的數(shù)值解法，具有適應(yīng)性強(qiáng)、效能高等優(yōu)點(diǎn)。有限元法的實(shí)質(zhì)是把求解區(qū)域分為有限個(gè)單元，通過每個(gè)單元承載模式和變形情況精確模擬求出某個(gè)關(guān)心構(gòu)件或區(qū)域的實(shí)際變形與應(yīng)力。隨著CAD/CAM/CAE的推廣，以有限元法為核心的通用結(jié)構(gòu)分析軟件得到廣泛應(yīng)用。

通過對(duì)需要在甲板上臨時(shí)增加兩型設(shè)備的某型船強(qiáng)度計(jì)算總結(jié)，介紹應(yīng)用有限元法進(jìn)行船甲板局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核計(jì)算方法，為在甲板上有加裝設(shè)備需求的船舶改裝工作提供參考。

1 某型加裝船及設(shè)備概況

該船要求在主甲板上增加A、B兩型設(shè)備，A型設(shè)備在首部及尾部左右舷對(duì)稱布置，基座中心位于船首、尾主甲板距中約3 000 mm處；B型設(shè)備在中部左右舷對(duì)稱布置，基座中心位于中部主甲板距中約3 500 mm。

原船主甲板材料為B級(jí)鋼，屈服極限σS＝235 MPa，此處構(gòu)件規(guī)格如表1所示；設(shè)備A基座及其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備B基座安裝板均采用Q235 鋼，屈服極限σS＝235 MPa。

表1 主甲板構(gòu)件規(guī)格

2 強(qiáng)度校核計(jì)算

2.1 計(jì)算依據(jù)

2.1.1 參考圖紙

某型船基本結(jié)構(gòu)圖；兩型設(shè)備（設(shè)備A、設(shè)備B） 加裝基座圖。

2.1.2 兩型設(shè)備布置的位置

由于不同位置的甲板結(jié)構(gòu)其承力能力不同，建議兩型設(shè)備按表2位置布置，作為有限元建模的位置依據(jù)。

表2 兩型設(shè)備的位置建議

2.1.3 材料許用應(yīng)力

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》 （2001） 規(guī)定，船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算中采用相當(dāng)應(yīng)力（或稱Von Mises應(yīng)力，以σe表示）來衡量應(yīng)力的許用程度。該指南中規(guī)定，船體甲板板材料的許用應(yīng)力為σe=175 MPa（甲板材料屈服極限為235 MPa）。

2.2 有限元模型

本文采用由點(diǎn)到線、由線到面的自上向下的建模方法，分別建立船體結(jié)構(gòu)有限元模型和基座有限元模型，并分別賦材料屬性（圖1分別為首部A型設(shè)備有限元模型、中部B型設(shè)備有限元模型和尾部A型設(shè)備有限元模型），然后通過裝配功能對(duì)船體結(jié)構(gòu)模型和基座模型進(jìn)行組裝，建立裝配結(jié)構(gòu)模型，通過設(shè)置tie接觸使得船體結(jié)構(gòu)模型和基座模型連成一體，最后設(shè)置邊界條件，邊界條件為四周剛固，支柱處施加垂向約束。

圖1 設(shè)備有限元模型

2.3 載荷計(jì)算

設(shè)備A載荷為設(shè)備重量和后坐力；設(shè)備B載荷為設(shè)備重量。設(shè)備A質(zhì)量為固定值；后坐力為動(dòng)載荷，隨時(shí)間變化而變化，本船在計(jì)算時(shí)取動(dòng)載荷中的最大值，這樣使得計(jì)算結(jié)果偏于安全，如圖2所示。

圖2 設(shè)備A工作時(shí)的后坐力載荷

2.4 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2.4.1 艏部加裝的A型設(shè)備應(yīng)力計(jì)算

圖3分別為艏部甲板基座、艏部甲板板和艏部甲板加強(qiáng)筋的應(yīng)力云圖，根據(jù)應(yīng)力云圖，艏部甲板基座結(jié)構(gòu)的最大正應(yīng)力σmax＝117.7 MPa，艏部甲板板的最大正應(yīng)力σmax＝94.10 MPa，艏部甲板加強(qiáng)筋的最大正應(yīng)力σmax＝111.3 MPa，以上三個(gè)最大正應(yīng)力值均不大于材料許用應(yīng)力[σe]=175 MPa，滿足要求。

圖3 艏部甲板構(gòu)件應(yīng)力云圖

2.4.2 中部加裝的B型設(shè)備應(yīng)力計(jì)算

圖4分別為中部甲板基座、中部甲板板和中部甲板加強(qiáng)筋的應(yīng)力云圖，根據(jù)應(yīng)力云圖，中部甲板基座結(jié)構(gòu)的最大正應(yīng)力σmax＝76.89 MPa，中部甲板板的最大正應(yīng)力σmax＝51.10 MPa，中部甲板加強(qiáng)筋的最大正應(yīng)力σmax＝50.72 MPa，以上三個(gè)最大正應(yīng)力值均不大于材料許用應(yīng)力[σe]=175 MPa，滿足要求。

圖4 中部甲板構(gòu)件應(yīng)力云圖

2.4.3 尾部加裝的A型設(shè)備應(yīng)力計(jì)算

圖5分別為艉部甲板基座、艉部甲板板和艉部甲板加強(qiáng)筋的應(yīng)力云圖，根據(jù)應(yīng)力云圖，艉部甲板基座結(jié)構(gòu)的最大正應(yīng)力σmax＝117.7 MPa，艉部甲板板的最大正應(yīng)力σmax＝36.10 MPa，艉部甲板加強(qiáng)筋的最大正應(yīng)力σmax＝81.66 MPa，以上三個(gè)最大正應(yīng)力值均不大于材料許用應(yīng)力[σe]=175 MPa，滿足要求。

圖5 艉部甲板構(gòu)件應(yīng)力云圖

2.5 計(jì)算結(jié)果匯總

兩型設(shè)備各項(xiàng)目最大正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。結(jié)果表明，設(shè)備A和B基座及其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

表3 計(jì)算結(jié)果匯總

3 結(jié)論

本文按GJB 4000-2000《艦船通用規(guī)范》要求，建立主甲板板架三維有限元模型，依據(jù)設(shè)備加裝情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，采用有限元軟件對(duì)甲板局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，結(jié)果表明，設(shè)備A和B基座及其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

本設(shè)計(jì)方法已在某型船改裝工作中實(shí)際應(yīng)用，施工后設(shè)備運(yùn)行正常而穩(wěn)定，證明了本計(jì)算方法的合理性及計(jì)算結(jié)果的正確性。在供同類改裝設(shè)計(jì)參考時(shí)，特提出如下建議：考慮A型設(shè)備的動(dòng)載荷對(duì)基座及其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有可能帶來影響，因此應(yīng)采取適當(dāng)增加基座下加強(qiáng)材厚度、沿使用時(shí)后坐力的方向增加肘板、在基座下安裝面積略大于基座的墊板等安全措施。

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