22 m組合式拖船拖樁及連接裝置強(qiáng)度計(jì)算

趙鐵軍，陳斌波，曹仁丹

(江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

根據(jù)工程需求，有些船需要較長距離運(yùn)輸或者在航道無法通航的水域進(jìn)行使用，這就導(dǎo)致了組合式船舶的產(chǎn)生。組合式船舶的特點(diǎn)就是采用可拆卸的連接裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接形式。目前市場上出現(xiàn)的組合式船舶一般是躉船或者工程船。

組裝式船舶的強(qiáng)度計(jì)算難點(diǎn)在于連接裝置的強(qiáng)度計(jì)算?！朵撡|(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2016)(簡稱《規(guī)范》)中僅給出了設(shè)有主浮箱和在其兩側(cè)對(duì)稱布置的邊浮箱組成的船舶的連接裝置強(qiáng)度計(jì)算公式，而對(duì)超規(guī)范的連接形式，《規(guī)范》并沒有提供連接裝置的設(shè)計(jì)依據(jù)，因此如何合理的設(shè)計(jì)及校核連接裝置強(qiáng)度是組合式船舶設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題。22 m組合式拖船是將拖樁設(shè)置在2個(gè)浮箱之間，采用法蘭與2個(gè)浮箱進(jìn)行連接，因此拖樁處的連接強(qiáng)度校核也是本船設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文采用有限元計(jì)算分析，對(duì)組合式拖船直接計(jì)算中模型的簡化處理及計(jì)算載荷的確定等內(nèi)容進(jìn)行研究，得到其拖樁及連接裝置強(qiáng)度計(jì)算的合理可行的計(jì)算方法。

1 船舶概況

22 m組合式拖船為作業(yè)于內(nèi)河A級(jí)航區(qū)的組合式拖船，主要用于組合式起重船的拖曳工作。本船由左右2個(gè)浮箱組成，中后部設(shè)置2個(gè)機(jī)艙，采用雙機(jī)、雙槳、雙舵的推進(jìn)方式。浮箱及組合船的主要參數(shù)見表1。22 m組合式拖船總布置情況見圖1。

表1 浮箱及組合船的主要尺度m

項(xiàng)目名稱船長船寬型深吃水浮箱左22.004.002.751.50浮箱右22.004.002.751.50組合船22.008.102.751.50

2 連接裝置

本船左、右浮箱采用2個(gè)連接器進(jìn)行連接。連接器的上端采用螺栓組連接，下端采用銷軸連接。每個(gè)螺栓組由6個(gè)M48 mm×200 mm (GB/T 1228—2008)高強(qiáng)度螺栓組成。連接器示意圖見圖2。

拖樁與左、右浮箱采用法蘭連接。法蘭盤厚度均為30 mm，法蘭盤之間通過16個(gè)螺栓進(jìn)行連接；螺栓選用M30 mm×160 mm (GB/T 1228—2008)高強(qiáng)度螺栓；拖樁所在肋位的浮箱下端采用銷軸連接。拖樁側(cè)視和剖視圖分別見圖3和圖4。

3 有限元計(jì)算

本文采用MSC.Patran/Nastran軟件進(jìn)行建模計(jì)算。由于上層建筑部分對(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小，本船模型的范圍：包括左右浮箱、浮箱間螺栓連接、銷軸連接及拖樁法蘭連接等。有限元模型的單元類型為：主要構(gòu)件腹板采用板單元模擬，主要構(gòu)件面板及其他骨材采用梁單元模擬[1]。銷軸和螺栓采用梁單元Beam模擬。全船有限元模型見圖5。

3.1 連接裝置及拖樁簡化方法

3.1.1 連接裝置螺栓組的簡化

建模時(shí)，將基座簡化為對(duì)應(yīng)2個(gè)MPC-RBE2(多點(diǎn)約束)，螺栓采用梁單元Beam模擬，其能承受拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)，通過參數(shù)設(shè)置，使梁單元與螺栓幾何屬性一致。螺栓組簡化模型見圖6，銷軸簡化模型見圖7。

圖1 22 m組合式拖船總布置圖

3.1.2 拖樁及法蘭盤的簡化

拖樁采用梁單元Beam模擬，拖樁下端部與法蘭盤采用MPC關(guān)聯(lián)。法蘭盤采用板單元模擬，兩塊法蘭之間由很多螺栓連接，固定螺栓的結(jié)合件之間不能相互活動(dòng)，可以將兩塊法蘭簡化為剛性連接。模型見圖8。

3.2 邊界條件

在船首節(jié)點(diǎn)施加縱向、橫向、垂向線位移約束,即ux=uy=uz=0；艉封板右舷節(jié)點(diǎn)施加垂向線位移約束，即uz=0；艉封板左舷節(jié)點(diǎn)施加橫向、垂向線位移約束，即uy=uz=0。邊界條件見圖9。

3.3 工況及載荷施加

3.3.1 計(jì)算工況

本船工況的選取主要根據(jù)作業(yè)時(shí)實(shí)際拖纜角度不同受力的情況，分為以下8種工況，見表2。

圖2 連接器示意圖

圖3 拖樁側(cè)視圖

圖4 拖樁剖視圖

圖5 全船有限元模型

圖6 螺栓組模型簡化

圖7 銷軸模型簡化

圖8 拖樁模型簡化

圖9 邊界條件圖

表2 計(jì)算工況

3.3.2 載荷施加

(1)舷外水壓：根據(jù)計(jì)算工況處于平衡狀態(tài)時(shí)的設(shè)計(jì)波波面(包括中拱波面和中垂波面)，按壓力分布施加到模型的濕表面各單元上。設(shè)計(jì)波等效為余弦波，波長等于船長，波高按照規(guī)范計(jì)算，即：

he=αMKCwKw(Cb+0.7)

12 650.6)×10-4

式中：he為波高，m;Cw為滿載水線面系數(shù)，Cw=0.979；L為船長，L=22 m；B為船寬，B=8.1 m；D為型深，D=2.75 m；αM為航區(qū)修正系數(shù)，αM=1。

經(jīng)計(jì)算,he=1.57 m。

根據(jù)穩(wěn)性計(jì)算書，艏吃水為0.929 m，艉吃水為2.068 m，則各工況的波面函數(shù)見表3。

(2)貨物載荷：壓載水重量使用壓力場施加到艙室相應(yīng)單元上。拖力施在拖樁頂端，拖力與基線夾角為30°，由船尾正后方按30°旋轉(zhuǎn)至左舷方向進(jìn)行施加，拖力F大小參照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，即

式中：LS為被拖船水線長，LS=45.35 m；B1為被拖船船寬，B1=22.06 m；d為被拖船滿載吃水，d=1.2 m；V為拖帶航速，V=3.5 m/s。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)=100 kN。

(3)結(jié)構(gòu)重量：結(jié)構(gòu)重量根據(jù)穩(wěn)性計(jì)算書中的空船重量數(shù)據(jù)分布，以重力g的形式施加到模型上。

表3 各工況波面函數(shù)

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

3.4.1 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，拖力在不同的角度情況下，橫向時(shí)的拖樁應(yīng)力最大。全船最大應(yīng)力出現(xiàn)在LC04工況，其計(jì)算結(jié)果見表4，計(jì)算應(yīng)力云圖見圖10。

表4 LC04工況計(jì)算應(yīng)力結(jié)果

圖10 LC04工況計(jì)算應(yīng)力云圖

3.4.2 計(jì)算分析

拖樁法蘭螺栓的強(qiáng)度校核通過兩種計(jì)算方法對(duì)比：一是根據(jù)《最新鋼結(jié)構(gòu)實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的理論計(jì)算校核拖樁處的法蘭螺栓組強(qiáng)度；二是通過有限元計(jì)算直接讀取簡化法蘭模型處的剪切應(yīng)力，根據(jù)法蘭的面積求出法蘭處受到的剪力，然后直接計(jì)算出螺栓的應(yīng)力。

(1)理論計(jì)算：作用在拖樁的拖力為F=100 kN，法蘭盤上的總剪切力為F1由16個(gè)螺栓共同分擔(dān)。因此，單個(gè)螺栓的剪切應(yīng)力為

式中：F1為法蘭盤上的總剪切力，F(xiàn)1=Fcos 30°=86.6 kN；n為螺栓個(gè)數(shù)，n=16;A為單個(gè)螺栓截面積，A=706 mm2。

經(jīng)計(jì)算，[τ1]=7.7 MPa,小于許用應(yīng)力值250 MPa。

(2)有限元計(jì)算：單剖面法蘭承受的最大剪力出現(xiàn)在LC04工況下，最大剪力F2由16個(gè)螺栓共同分擔(dān)。因此，單個(gè)螺栓的剪切應(yīng)力為

式中：F2為最大剪力，F(xiàn)2=162.9 kN。

經(jīng)計(jì)算，[τ2]=14.4 MPa,小于許用應(yīng)力值250 MPa。

經(jīng)過計(jì)算，理論計(jì)算的拖樁法蘭螺栓的最大應(yīng)力為7.6 MPa，有限元簡化模型直接計(jì)算的拖樁法蘭螺栓的最大應(yīng)力為14.4 MPa。根據(jù)結(jié)果可得，兩種計(jì)算方法的結(jié)果相近，模型簡化合理。

4 結(jié)語

從上述計(jì)算及分析可以看出，對(duì)組合式拖船的連接裝置及拖樁進(jìn)行模型簡化，計(jì)算結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。通過模型簡化可以大大提高建模效率，快速校核組合式結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度。本模型簡化方法對(duì)比較復(fù)雜的組合連接形式的強(qiáng)度計(jì)算提供了有益參考。