35 m水面清潔船整體結(jié)構(gòu)有限元分析

郭 衛(wèi), 吳培松, 倪 杰

(蘇州飛馳環(huán)保科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215621)

0 引言

水面清潔船是用于河面或湖面清潔的重要環(huán)保裝置。由于水面清潔船的工況復(fù)雜，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于其工作穩(wěn)定性和清潔效率具有重要的影響。當(dāng)前對于水面清潔船結(jié)構(gòu)的研究主要集中在船體部件設(shè)計(jì)，而對于其整體結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性的研究較少。黃海燕等[1]曾對水面清潔船的船艉結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜動態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)；艾海峰等[2]對超小水線面船的主機(jī)艙段結(jié)進(jìn)行了構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；強(qiáng)兆新等[3]對船體板梁組合結(jié)構(gòu)的頻率禁區(qū)動力參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。但其研究主要針對船體的局部結(jié)構(gòu)，并沒有對船體的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致的分析和研究，因此其研究具有一定的局限性。本文基于整體結(jié)構(gòu)對35 m水面清潔船進(jìn)行了有限元分析，將船體結(jié)構(gòu)分為若干個(gè)子結(jié)構(gòu)，根據(jù)殼體的主要構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)，完成梁和桁條等結(jié)構(gòu)的有限元分析。然后基于概率統(tǒng)計(jì)方法，確定波浪載荷長期預(yù)測極值，求出波浪載荷對船體結(jié)構(gòu)的影響，并將其應(yīng)用于整船結(jié)構(gòu)有限元模型。通過全船有限元分析可以找出每個(gè)主要部件的實(shí)際變形和應(yīng)力及其相應(yīng)靈敏度。

1 甲板貨物模擬

甲板貨物的重心高度通常比甲板線高。建立甲板貨物重量模型的關(guān)鍵是要符合結(jié)構(gòu)分布的實(shí)際情況，保證強(qiáng)度計(jì)算的準(zhǔn)確性。本文基于虛擬梁法建立甲板貨物重量模型，求得波浪誘導(dǎo)船體運(yùn)動和載荷下的傳遞函數(shù)、設(shè)計(jì)裕度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形結(jié)果。具體步驟如下：

(1)設(shè)置少量的虛擬梁(虛梁疏)。在甲板桁架和甲板剛性梁的交叉位置設(shè)置垂直虛梁單元系統(tǒng)。為了提高甲板貨物的密度，最后建立了甲板貨物重心高度、縱橫向梁單元的拱頂高度。虛擬梁結(jié)構(gòu)將重力和慣性力傳遞到船體結(jié)構(gòu)部件，包括甲板和橫梁。設(shè)置橫向和縱向的虛梁單元彈性模量E=0，可以較好地削弱載荷波動對船體剛度的影響。

(2)將虛梁單元密集化(虛梁密)。對甲板上貨物所覆蓋的全部區(qū)域，每個(gè)端節(jié)之間均建立虛梁單元；非貨物覆蓋區(qū)域不作改變。船體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 全船結(jié)構(gòu)有限元模型

假設(shè)設(shè)計(jì)波頻率為0.8 rad/s，計(jì)算波浪誘導(dǎo)船體運(yùn)動和載荷下的傳遞函數(shù)、設(shè)計(jì)裕度計(jì)算，其結(jié)果見表1。表中：φ為設(shè)計(jì)波形相位；Mr為垂直彎矩的傳遞函數(shù)極值；Mf為超越概率為10-8時(shí)垂直彎矩的長期預(yù)報(bào)極值；λ為設(shè)計(jì)波幅。

表1 基于虛梁法的船體參數(shù)計(jì)算結(jié)果

從表1可以看出，基于虛擬梁法的甲板貨物模擬方法可計(jì)算求出傳遞函數(shù)的極值。通過分析可知：垂直彎矩的長期預(yù)報(bào)極值和設(shè)計(jì)波幅的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布基本相同，計(jì)算結(jié)果基本一致。用稀疏虛擬梁模擬甲板貨物時(shí)，虛梁與甲板貨物之間的應(yīng)力集中較大，虛梁增加(虛擬梁數(shù)目增加)，有效地削弱了應(yīng)力。本文研究的控制量值是船舶下游(波浪方向?yàn)?°)的數(shù)據(jù)量，此時(shí)甲板貨物尺寸因素對波浪載荷計(jì)算結(jié)果影響較小。

2 剖面參考點(diǎn)的選取

船舶結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)在很大程度上取決于波浪載荷計(jì)算的準(zhǔn)確性。波浪誘導(dǎo)載荷包含流體動力學(xué)壓力和結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身的慣性力。在長期預(yù)測中，根據(jù)垂直彎矩或波浪扭矩可以求出船舶結(jié)構(gòu)不同剖面所承受的相應(yīng)垂直力矩或扭矩。每個(gè)剖面的扭轉(zhuǎn)中心或彎曲中心(指形心)，可以通過垂直于力矩或扭矩的參考點(diǎn)準(zhǔn)確預(yù)測。為了找到參考點(diǎn)的位置之間的差異(主要來自較高的基線的距離)和彎曲中心或扭轉(zhuǎn)中心，三縱剖面I、II和III(L/4、L/2和3L/4，從參考肋骨位置分別分離，其中：L為船長)均選取4個(gè)點(diǎn)并以4個(gè)點(diǎn)為中心，以波浪誘導(dǎo)載荷為約束條件進(jìn)行級數(shù)收斂搜索，最終求得參考點(diǎn)精確值。不同參考點(diǎn)位置對垂直彎矩或轉(zhuǎn)矩的傳遞函數(shù)極值、最不利波浪相位和設(shè)計(jì)波參數(shù)計(jì)算結(jié)果響應(yīng)值見表2。表2中，參考點(diǎn)1為垂直彎矩中心；h為計(jì)算點(diǎn)距離船底的高度；φm為最不利波浪相位。由表2可見，當(dāng)參考點(diǎn)偏離垂直彎矩中心較大時(shí)，對φm的計(jì)算結(jié)果影響較大，且其偏離值增大，計(jì)算結(jié)果的波動幅度越大。船體結(jié)構(gòu)所承受波浪誘導(dǎo)載荷應(yīng)力是靜水應(yīng)力與由于諧波產(chǎn)生的應(yīng)力耦合，波動幅度的波動將直接引起復(fù)合應(yīng)力的波動。因此，可以推斷，在不同截面上的扭矩參考點(diǎn)的選擇對計(jì)算結(jié)果也有相同的影響。

因此，當(dāng)求解波浪載荷造成的垂直彎矩和扭矩分布時(shí)，垂直彎矩和轉(zhuǎn)矩參考點(diǎn)位置應(yīng)盡可能接近。

3 全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

35 m水面清潔船的主要參數(shù)為：船長L=35 m，寬度B=8.5 m，吃水深度D=2.7 m，設(shè)計(jì)排水量Δ=157.7 t。本文采用密集化的虛梁單元來建立甲板貨物模型，利用HydroD模塊分析船體結(jié)構(gòu)所承受的各種載荷，其中質(zhì)量模型用于模擬船體各結(jié)構(gòu)部件質(zhì)量。

3.1 波浪誘導(dǎo)載荷計(jì)算

本文以剖面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為參考基準(zhǔn)面來計(jì)算船體結(jié)構(gòu)各剖面的波浪誘導(dǎo)載荷。為了不同浪向?qū)Υw結(jié)構(gòu)的影響，首先需要根據(jù)波浪載荷的概率密度分布(頻率)來求出譜分析中所需要的傳遞函數(shù)，然后計(jì)算求出載荷響應(yīng)規(guī)則波對船體的作用。本文以ω=0.1～2.0 rad/s為區(qū)間范圍，以Δr=0.1 rad/s為步進(jìn)間隔，選取19個(gè)頻率，進(jìn)行傳遞函數(shù)計(jì)算；設(shè)沿船長方向指向船艏為0°，指向船艉為180°的區(qū)間范圍為浪向角，則指向左舷為90°。為了計(jì)算不同浪向角波浪對船體運(yùn)動誘導(dǎo)載荷的影響規(guī)律，需要從浪向角θ=0°～180°區(qū)間范圍內(nèi)，以10°為步進(jìn)間隔，選取20個(gè)浪向角。基于波浪載荷的概率密度分布的船體運(yùn)動誘導(dǎo)載荷認(rèn)為該20個(gè)浪向角在船體上的作用是等概率的。以垂直彎矩作為控制載荷，剖面彎矩的參考點(diǎn)采用mcs.tan模塊求得，以計(jì)算各剖面的垂直彎矩。不同剖面所承受的最大運(yùn)動誘導(dǎo)載荷及彎矩見表3。表3中，ω為誘導(dǎo)載荷振動頻率，θ為浪向角；P為船舯處到船艉部的距離；-1gP則為該處的彎距。船舯處最大運(yùn)動誘導(dǎo)載荷下垂直彎矩的傳遞函數(shù)值如圖2所示。

表2 選取不同參考點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

表3 不同剖面最不利的波浪和垂直彎矩的傳遞函數(shù)值

通過計(jì)算結(jié)果可知，在θ=0°且ω=0.8 rad/s時(shí)，垂直彎矩達(dá)到最大，其對應(yīng)波長為87.57 m。超越波浪載荷概率密度10-8下的剖面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的最大運(yùn)動誘導(dǎo)載荷作用下彎矩預(yù)測值分別為157.8、402.58、157.9 MN·m。

圖2 船舯處垂直彎矩的傳遞函數(shù)值

圖3 船舯處垂直彎矩的預(yù)測值

3.2 設(shè)計(jì)波的確定及應(yīng)力和變形結(jié)果

根據(jù)豎向彎矩在最大運(yùn)動載荷作用下的傳遞函數(shù)，可以計(jì)算出最不利的波浪來確定設(shè)計(jì)波浪的頻率、波向和相位。滿負(fù)荷下的設(shè)計(jì)波浪參數(shù)見表4。表中，λL為波長；工況L101為靜態(tài)水條件；L102為靜態(tài)的水加上中間拱；L103為靜態(tài)的水加上中間凹陷。設(shè)計(jì)波確定后，對船體結(jié)構(gòu)的受力和變形進(jìn)行分析，利用ANSYS Workbench軟件mcs.tan模塊計(jì)算，然后提取模塊用于處理和顯示的應(yīng)力、變形及計(jì)算結(jié)果。

在整個(gè)船體的有限元分析中，采用邊界約束消除剛體的位移，船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形如圖3和圖4所示。表4顯示了結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值和不同工況下的極限變形值。表中，σmax為船體最大應(yīng)力，δmax為應(yīng)力最大波動限度。從圖4可以看出，邊界約束的應(yīng)力很小，表明船體重心、浮力和浮心都處于良好的平衡狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果表明，35 m的水面清潔船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

(1)對全船有限元的結(jié)構(gòu)分析方法進(jìn)行了深入研究，基于虛梁法實(shí)現(xiàn)了甲板貨物質(zhì)量模擬，并基于波浪誘導(dǎo)載荷完成參考點(diǎn)的選取。

(2)對準(zhǔn)確合理計(jì)算船體結(jié)構(gòu)各剖面的波浪誘導(dǎo)載荷及不同浪向?qū)Υw結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了分析，并計(jì)算求得船體合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形值。

(3)由設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，采用虛梁來模擬甲板貨物相對至質(zhì)心簡化法等其他方法而言可以最大程度減少參數(shù)誤差,而各剖面波浪誘導(dǎo)垂直彎矩和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算需要搜索盡可能精確的垂直彎矩和轉(zhuǎn)矩參考點(diǎn)位置，因此采用虛梁來模擬甲板貨物對于有利于對全船結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確分析和計(jì)算。

表4 滿載時(shí)各工況下的設(shè)計(jì)波參數(shù)及最大應(yīng)力和變形結(jié)果

圖4 全船Vonmises應(yīng)力結(jié)果(中垂)

圖5 全船變形結(jié)果(中垂)

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃海燕,林志祥,王德禹. 船艉結(jié)構(gòu)靜動態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 船舶力學(xué),2011,15(1): 1270-1277.

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