多功能船主吊機(jī)區(qū)域局部強(qiáng)度計(jì)算

李 強(qiáng)，劉少元，劉 陽，張 朝，蒙嘉琿

(北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100011)

多功能船主吊機(jī)區(qū)域局部強(qiáng)度計(jì)算

李 強(qiáng)，劉少元，劉 陽，張 朝，蒙嘉琿

(北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100011)

多功能船是為了滿足海洋工程的發(fā)展需要所產(chǎn)生的特種工程船舶，實(shí)現(xiàn)了工程經(jīng)濟(jì)性與工程實(shí)用性的密切結(jié)合。借助有限元軟件對多功能船主吊機(jī)區(qū)域局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，描述建立這種復(fù)雜不規(guī)則模型時(shí)需要運(yùn)用的技巧，建立多功能船主吊機(jī)區(qū)域局部結(jié)構(gòu)有限元模型，闡述多功能船主吊機(jī)區(qū)域局部結(jié)構(gòu)有限元結(jié)構(gòu)分析方法，以及在加載過程中應(yīng)該注意的受力轉(zhuǎn)換。所得到的多功能船主吊機(jī)區(qū)域局部結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果對同類型船舶的吊機(jī)區(qū)域局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析有一定的參考價(jià)值。

多功能船；主吊機(jī)區(qū)域局部結(jié)構(gòu)；有限元；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

0 引 言

海洋工程多功能船（Multi-Purpose Vessel，MPV）是為了滿足海洋工程的發(fā)展需要所產(chǎn)生的特種工程船舶。通過多年的發(fā)展，MPV實(shí)現(xiàn)了工程經(jīng)濟(jì)性與工程實(shí)用性的密切結(jié)合，以出色的設(shè)計(jì)指標(biāo)和性能備受船東青睞。目前在該類船型最發(fā)達(dá)的歐美國家，尤其是美國、挪威等國，正逐步將該領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢進(jìn)一步擴(kuò)大[1]。

我國水下工程的發(fā)展時(shí)間較短，目前通過租賃和購買可以解決一部分的水下工程作業(yè)需要，但由于國內(nèi)不具備此類船型的開發(fā)與設(shè)計(jì)能力，因此受制于船舶租賃商，往往付出較高昂的代價(jià)。通過改裝或利用常規(guī)三用工作船作為水下工程作業(yè)載體，又受制于船舶性能與作業(yè)環(huán)境的不匹配，大大減少了作業(yè)能力。因而充分了解現(xiàn)今此類船舶的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，對于扭轉(zhuǎn)這一被動落后的局面，研制具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的能夠趕超國際先進(jìn)水平的MPV有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

有限單元法作為一種有效的數(shù)值模擬方法，目前已廣泛應(yīng)用于眾多工程領(lǐng)域，如機(jī)械、土木、船舶、航空、航天等[2]。近幾年隨著我國船舶工業(yè)的迅猛發(fā)展，伴隨著一些新船型、新材料的出現(xiàn)和應(yīng)用，有限元分析方法迅速成為船舶設(shè)計(jì)和解決超出規(guī)范公式計(jì)算適用范圍船舶的主要工具。本文對多功能船主吊機(jī)區(qū)域局部結(jié)構(gòu)按照中國船級社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》[3]（2007）有關(guān)章節(jié)進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

1 多功能船主吊機(jī)區(qū)域局部結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

1.1 船體基本結(jié)構(gòu)說明

本船是帶首側(cè)推、伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，由柴油機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動全回轉(zhuǎn)定螺距舵槳裝置的海洋工程支持船?？稍诖蠖鄶?shù)氣候狀況下作業(yè)并且具有極好的操縱性、耐波性和定位能力。主尺度及主要參數(shù)見表1。

表1 主尺度及主要參數(shù)值Tab. 1 Main dimensions and main parameter values

1.2 模型范圍

縱向：FR22～FR67；

橫向：船中至右舷邊線；

垂向：船底甲板至主甲板。

僅模型化船體結(jié)構(gòu)的右舷，圖1給出了有限元模型整體和局部細(xì)節(jié)圖。

圖1 有限元模型圖Fig. 1 The FE model

1.3 坐標(biāo)系

模型的坐標(biāo)系取右手坐標(biāo)系。模型總體坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于橫剖面FR0、水平基線平面和船寬中線的交點(diǎn)處；X軸沿船體縱向指向船首；Y軸沿船寬方向指向左舷側(cè)；Z軸沿船體垂向從船底指向主甲板。

1.4 單元

按照本船的型線、各構(gòu)件設(shè)計(jì)尺寸、板厚、截面、開孔等，建立結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，模型中主要采用以下2種單元：

殼單元（Shell）。模擬甲板、舷側(cè)外板、內(nèi)殼板、船底板、橫艙壁等板殼結(jié)構(gòu)，船底縱桁、實(shí)肋板，舷側(cè)縱桁、甲板縱桁、強(qiáng)橫梁、主肋骨等強(qiáng)構(gòu)件的腹板以及較大的肘板。殼單元主要采用四邊形矩形單元，網(wǎng)格大小以縱骨間距和肋距為基準(zhǔn)，邊長比不超過1∶2。

梁單元（Beam）。模擬各種梁結(jié)構(gòu)的縱骨、橫梁、普通肋骨、艙壁加強(qiáng)筋、支柱、桁架等桿件結(jié)構(gòu)，以及縱桁、強(qiáng)框架等強(qiáng)構(gòu)件的面板和肘板的折邊等。梁單元在模型中依殼單元的邊界建立，同時(shí)按照設(shè)計(jì)圖紙考慮各個(gè)構(gòu)建的實(shí)際截面、方向和偏心。

模型中對結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化，忽略小肘板等。這些簡化，一是基于對結(jié)果的極小影響，一是基于保守的考慮，如小肘板的省略[4]。有限元網(wǎng)絡(luò)的劃分采用肋骨間距尺寸單元，局部地區(qū)近似為100 mm。

1.5 材料參數(shù)

楊氏模量：E=2.06×103 MPa，

泊松比：γ=0.3，

質(zhì)量密度：ρ=7.85×10–6kg/mm3。

2 載荷計(jì)算施加

2.1 載荷

在吊機(jī)下的艙段上選取恰當(dāng)?shù)奈恢煤头绞?，加載總體載荷與局部載荷，包括垂向彎矩、舷外水壓力與液艙液體壓力等[5]。

根據(jù)吊機(jī)制造商的信息，載荷作用在距主甲板1 300 mm的吊機(jī)底座上，載荷值如表2所示。

表2 計(jì)算所取的載荷Tab. 2 The load of calculation

2.2 邊界條件

邊界條件的假定應(yīng)以不影響模型中心所考察單元的計(jì)算結(jié)果為原則[6]。一般可考慮設(shè)置自由支持或固支，模型實(shí)際的邊界條件如表3所示。

2.3 計(jì)算工況

主吊機(jī)可以360°旋轉(zhuǎn)，所以主吊機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)所承受的載荷按30°或45°旋轉(zhuǎn)變化，計(jì)算工況如圖2所示[7]。

表3 計(jì)算所取的邊界條件Tab. 3 The boundary condition of calculation

圖2 計(jì)算工況Fig. 2 The calculation condition

3 強(qiáng)度評估

3.1 強(qiáng)度評估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)相關(guān)圖紙，多功能船主吊機(jī)區(qū)域鋼材材料包括CCS-A和CCS-36，再參考《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》[8]與《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》（2007），屈服強(qiáng)度評估標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 規(guī)定的許用應(yīng)力值（N/mm2）Tab. 4 The allowable stress values (N/mm2)

屈曲強(qiáng)度評估中，屈曲安全因子λ應(yīng)為板格臨界屈曲應(yīng)力與計(jì)算所得的實(shí)際壓應(yīng)力之比，其計(jì)算值如表 5 所示[9]。

表5 λ計(jì)算值Tab. 5 Calculated value of λ

3.2 屈服強(qiáng)度評估

利用有限元軟件，對多功能船主吊機(jī)區(qū)域局部結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了上文所述16種工況的分析計(jì)算，各工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力詳細(xì)結(jié)果如表6和表7所示。

各工況結(jié)果云圖如圖3～圖8所示。

3.3 屈曲強(qiáng)度評估

多功能船主吊機(jī)區(qū)域局部結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的屈曲強(qiáng)度評估結(jié)果如表8所示。

表6 最大應(yīng)力值 CCS-36（N/mm2）Tab. 6 Maximum stress value CCS-36 (N/mm2)

表7 最大應(yīng)力值CCS-A（N/mm2）Tab. 7 Maximum stress value CCS-A (N/mm2)

圖3 工況6—VON MISE力云圖（CCS-36）Fig. 3 Von-mises stress plot for condition 6 (CCS-36)

圖4 工況12—VON MISE力云圖（CCS-A）Fig. 4 Von-mises stress plot for condition 12 (CCS-A)

圖5 工況10—正應(yīng)力云圖（CCS-36）Fig. 5 Normal stress plot for condition 10 (CCS-36)

圖6 工況12—正應(yīng)力云圖（CCS-A）Fig. 6 Normal stress plot for condition 12 (CCS-A)

圖7 工況10—剪應(yīng)力云圖（CCS-36）Fig. 7 Shear stress plot for condition 10 (CCS-36)

圖8 工況12—剪應(yīng)力云圖（CCS-A）Fig. 8 Shear stress plot for condition 12 (CCS-A)

3.4 計(jì)算結(jié)果分析及強(qiáng)度評估

通過計(jì)算，獲得了多功能船主吊機(jī)區(qū)域局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平與應(yīng)力分布。CCS-36級鋼的最大VON MISE力出現(xiàn)在工況6，其值為240 MPa；最大正應(yīng)力出現(xiàn)在工況10，其值為112 MPa；最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在工況10，其值為114 MPa。CCS-A級鋼的最大VON MISE力出現(xiàn)在工況12，其值為102 MPa；最大正應(yīng)力出現(xiàn)在工況12，其值為230 MPa；最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在工況12，其值為141 MPa。并通過校核，多功能船主吊機(jī)區(qū)域局部結(jié)構(gòu)滿足屈曲強(qiáng)度要求。

表8 板格屈曲校核結(jié)果Tab. 8 Results of buckling check

4 結(jié) 語

本課題采用局部結(jié)構(gòu)三維有限元直接計(jì)算方法對多功能船主吊機(jī)區(qū)域局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，按照中國船級社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》（2007）有關(guān)章節(jié)校核了該局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，通過對計(jì)算結(jié)果的分析和比較，可以得出：多功能船主吊機(jī)區(qū)域局部結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范的要求，從而滿足作業(yè)工況的安全使用。由于分析的船型原因，在網(wǎng)格劃分上存在有邊長接近細(xì)化網(wǎng)格50 mm的單元存在，這些較小的網(wǎng)格在應(yīng)力集中、肘板趾端等處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力均為偏高值，但這些對實(shí)際是偏安全的。

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Finite element analysis of area under main crane of multi-purpose vessel

LI Qiang, LIU Shao-yuan, LIU Yang, ZHANG Zhao, MENG Jia-hui
(COTEC Offshore Engineering Services (Beijing), Beijing 100011, China)

Multi-purpose vessel is to meet the needs of the development of marine engineering, special engineering ships, to achieve a close combination of engineering economics and engineering practicality. Area under main crane is analyzed. It describes some useful techniques while building complex and irregular models, a area under main crane FE model is setup, a method of the area under main crane FE analysis is described, and it also discusses the force conversion while applying displacement and force to moles. The proposed method can be used for the design and strength analysis of the ship of area under main crane.

multi-purpose vessel；area under main crane；finite element；structural strength

U661.4

A

1672 – 7649(2017)10 – 0061 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.011

2016 – 11 – 02；

2016 – 12 – 05

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX 05027-005)

李強(qiáng)(1981 – )，男，工程師，主要從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度分析方面的研究。