應(yīng)用ANSYS進(jìn)行集裝箱船導(dǎo)軌架預(yù)埋胎架的變形分析

謝立榮，張 浩

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

1 前言

20 000TEU集裝箱船是上海外高橋造船有限公司承接的超大型集裝箱船新項(xiàng)目。該船作為國內(nèi)在建超大型集裝箱船，在首制船建造過程中不可控因素和未知的問題較多。為了保證建造質(zhì)量及建造周期，首先要確保項(xiàng)目能按既定的計(jì)劃進(jìn)行；其次對各項(xiàng)安全措施能夠得到有效落實(shí)。該船在建造過程中設(shè)計(jì)了各種多用途工裝，尤其在集裝箱導(dǎo)軌建造過程中，設(shè)計(jì)了專用建造工裝——導(dǎo)軌架預(yù)埋胎架。

該船橫隔艙雙面均安裝有導(dǎo)軌，為了方便分段建造及減少翻身吊裝次數(shù)，專門設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌架預(yù)埋胎架。與以往使用的胎架不同，導(dǎo)軌架預(yù)埋胎架使用與分段接觸的槽鋼用以支撐，由于安裝及精度測量需求，槽鋼胎架具有相當(dāng)?shù)母叨取?/p>

有限元法是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值方法。求解時(shí)對整個(gè)區(qū)域進(jìn)行分解，每個(gè)子區(qū)域稱作有限元。它通過變分方法，使誤差函數(shù)達(dá)到最小值并產(chǎn)生穩(wěn)定解。有限元法將許多被稱為有限元的小區(qū)域上的簡單方程聯(lián)系起來，并用其估計(jì)更大區(qū)域上的復(fù)雜方程，對每一單元假定一個(gè)較簡單的近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件）從而得到問題的解。

本文針對導(dǎo)軌架預(yù)埋胎架的變形原因進(jìn)行分析，并對部分胎架進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，將理論和實(shí)際結(jié)合進(jìn)行對比。

2 導(dǎo)軌架及預(yù)埋胎架

集裝箱船箱格導(dǎo)軌架（簡稱導(dǎo)軌架）可以設(shè)置在艙內(nèi)，也可能設(shè)置在露天甲板以上（一般很少采用）。在中大型集裝箱船上，艙內(nèi)堆放箱的層數(shù)可達(dá)6～8層，采用導(dǎo)軌架可以把集裝箱成堆的放入導(dǎo)軌架內(nèi)，不需要緊固設(shè)備，也不需要綁扎和支撐。導(dǎo)軌架一般是永久性的固定在貨艙內(nèi)，對集裝箱吊入吊出都十分方便，可以縮短集裝箱裝卸時(shí)間，提高裝卸效率[1]。

導(dǎo)軌架安裝于橫隔艙分段上，為提高分段制作效率﹑減少翻身吊裝次數(shù)，該船專門設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌架預(yù)埋胎架，如圖1所示。

圖1 導(dǎo)軌架預(yù)埋胎架

胎架主體使用20#槽鋼，材料為Q235-A。由于胎架有1.3 m的高度，所以增加斜撐用以增加剛度。

3 預(yù)埋胎架變形原因分析

預(yù)埋胎架作為船體分段裝配的工裝設(shè)備，與船體表面接觸進(jìn)行支撐。導(dǎo)軌架大部分集中在橫隔艙分段，一半在分段裝配之前進(jìn)行預(yù)埋定位。

橫隔艙分段結(jié)構(gòu)理論上是平直的，但若因此認(rèn)定分段作用于胎架上的力是均布的面載荷則會(huì)與實(shí)際情況不符。因分段與胎架接觸的板是由多張板拼接而成，中間有多條拼板縫會(huì)造成不完全平直；且板經(jīng)過拼接后會(huì)產(chǎn)生變形也并非是完全平直的，從而造成胎架受力不均產(chǎn)生變形。拼板的一般變形類型，如圖2所示。

圖2 拼板一般變形類型示意圖

由于分段重量較大且伴隨板的自身變形，造成胎架表面受力并不完全均勻，同時(shí)存在少量胎架跨距過長，因而造成了胎架的實(shí)際變形。

4 有限元模型建立與計(jì)算分析[2][3][4]

對胎架最易變形的部分進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，所選取的胎架由三根立柱組成兩跨，胎架面板位置不與其他結(jié)構(gòu)連接，跨距分別為3 070 mm和2 592 mm，兩邊立柱設(shè)有斜撐（見圖3）。具體分析步驟如下。

（1）建立實(shí)體模型

利用Solidworks建立實(shí)體模型，如圖3所示。

圖 3 胎架模型

（2）劃分網(wǎng)格及添加約束條件

將模型導(dǎo)入Ansys Workbench，進(jìn)行網(wǎng)格劃分并添加約束。計(jì)算使用的單元類型由workbench自動(dòng)選取。由于結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，將模型選用精網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，節(jié)點(diǎn)共42 704個(gè)﹑單元共19 958個(gè)。對三根立柱及斜撐底部共5個(gè)面進(jìn)行全約束；

（3）施加載荷及求解

按分段約200 t計(jì)算重量并考慮胎架組成，對將要施加的載荷進(jìn)行估算（按胎架表面面積平均分配載荷）。對如圖4中的AB段（較長一段）施加14 100 N載荷，方向向下；對BE段（較短一段）施加12 000 N載荷，方向向下。載荷具體分布情況，取2種情況進(jìn)行分析：

① 面載荷完全均布在胎架槽鋼表面。

根據(jù)求解結(jié)果，應(yīng)變（位移變形）圖形如圖4所示。

圖4 總應(yīng)變圖一

由圖4可知，最大應(yīng)變出現(xiàn)在AB段中間，變形為4.73 mm；BE段中間變形較小，不大于2 mm。由此可見，即使載荷完全均布情況下，變形量也超過精度要求±3 mm；

② 將AB段載荷集中在中間部分，分布長度大約為AB段長度的1/3，BE段則均布。

根據(jù)求解結(jié)果，應(yīng)變（位移變形）圖形如圖5所示。

圖5 總應(yīng)變圖二

由圖5可知，最大應(yīng)變出現(xiàn)在AB段中間，變形為8.84 mm；BE段中間變形較小，不大于2 mm。此計(jì)算結(jié)果（包括載荷分布和變形結(jié)果）與實(shí)際情況較為接近，實(shí)際最大變形約為9 mm，故可以認(rèn)為所作分析是合理的。

5 模型改進(jìn)及計(jì)算

由于現(xiàn)場胎架實(shí)際變形超過要求，故針對變形的一段槽鋼在中間位置增加一根支撐，重新進(jìn)行有限元分析，步驟同前：

（1）建立實(shí)體模型

建立實(shí)體模型，如圖6所示。

圖6 胎架改進(jìn)模型

（2）劃分網(wǎng)格及添加約束條件

導(dǎo)入模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)點(diǎn)共47 117個(gè)﹑單元共22 036個(gè)。將四根立柱及斜撐底部共6個(gè)面進(jìn)行全約束；

（3）施加載荷及求解

載荷大小與分布情況與上述相同。根據(jù)求解結(jié)果，應(yīng)變（位移變形）圖形，如圖7。

圖7 總應(yīng)變圖三

由圖7可知，中間增加立柱后胎架幾乎沒有變形了。對于胎架其他跨段，因尚未出現(xiàn)變形嚴(yán)重情況，暫不進(jìn)行分析。

6 結(jié)語

利用Ansys﹑Solidworks軟件對現(xiàn)場胎架變形進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析?；诂F(xiàn)場實(shí)際環(huán)境，通過理論分析對施加的外載荷大小和分布作了假設(shè)，同時(shí)經(jīng)過模擬計(jì)算與實(shí)際變形結(jié)果對比，得出最終計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較為符合，可認(rèn)為模擬計(jì)算結(jié)果有效；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)分析，確認(rèn)增加立柱是有效的改進(jìn)方法；模擬仿真計(jì)算手段，不僅可以在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，也可在生產(chǎn)施工階段進(jìn)行分析計(jì)算，能有效幫助驗(yàn)證及改進(jìn)施工方式。