基于FEA方法的機(jī)艙大型設(shè)備基座強(qiáng)度分析

吳先彪 李炎鋒 黃妙姿

摘? ? 要：基于大型通用有限元軟件，采用有限元法對(duì)鋁合金雙體高速客船在發(fā)生碰撞時(shí)的大型設(shè)備基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真和強(qiáng)度計(jì)算，提出合理化建議，使得基座的設(shè)計(jì)更為合理，同時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

關(guān)鍵詞：高速雙體客船;有限元法，鋁合金

中圖分類號(hào)：U661.3? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Strength Analysis for Foundation of Large Equipment in Engine Room Based on FEA Method

WU Xianbiao， LI Yanfeng， HUANG Miaozi

（ Afai Southern Shipyard （Panyu Guangzhou） Ltd. Guangzhou 511431 ）

Abstract： Based on the large-scale general finite element software， the FEA method is used to simulate and calculate the foundation strength of large equipment in engine room for the aluminum alloy high-speed passenger catamaran in the case of collision， and the reasonable suggestion is put forward to make the design of the foundation more reasonable and the structural strength meet the requirements.

Key words： High-speed passenger catamaran; FEA; Aluminum alloy

1? ? 引言

鋁合金雙體高速客船由于其甲板面積大、良好的穩(wěn)性和快速性等優(yōu)點(diǎn)，在海上客運(yùn)行業(yè)一直扮演著重要的角色。然而對(duì)于高速客船而言，其安全性具有特殊意義，根據(jù)IMO《2000年國際高速船舶安全規(guī)則》[1]的要求，需考慮船舶高速航行時(shí)發(fā)生意外碰撞產(chǎn)生的加速度，在發(fā)生碰撞時(shí)大質(zhì)量設(shè)備如主機(jī)、輔機(jī)等設(shè)備的安裝能承受意外碰撞加速度而不破壞。為了分析鋁合金高速客船在碰撞時(shí)機(jī)艙內(nèi)大型設(shè)備基座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特性，本文采用有限元方法對(duì)一艘典型40 m鋁合金雙體高速客船主機(jī)及發(fā)電機(jī)基座進(jìn)行建模仿真及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2? ?機(jī)艙區(qū)域結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

2.1? 船舶主尺度及機(jī)艙大型設(shè)備基座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該典型40 m鋁合金雙體高速客船主要尺度為：總長39.20 m、設(shè)計(jì)水線長38.50 m、型寬9 m、型深3.4 m、空船重量△E =100.526 t、滿載排水量△F=127.156 t、最大航速V=28.50 kn、肋位間距1 m、單個(gè)機(jī)艙長度8 m;主船體外板采用縱骨架式單底結(jié)構(gòu)。機(jī)艙區(qū)域大型設(shè)備基座俯視圖及側(cè)視圖，如圖1、2所示。

2.2? 結(jié)構(gòu)有限元模型的建立與邊界條件

有限元模型范圍，包括單個(gè)片體主機(jī)及發(fā)電機(jī)基座等結(jié)構(gòu)的主船體機(jī)艙區(qū)域。在計(jì)算時(shí)，為了模擬機(jī)艙邊界處結(jié)構(gòu)的真實(shí)支撐狀態(tài)，對(duì)其邊界進(jìn)行剛性約束，最終建立的有限元模型及邊界約束如圖3所示。

在有限元模型中：外板、艙壁板、實(shí)肋板、主機(jī)縱桁等主要構(gòu)件腹板，以及主機(jī)縱桁面板，采用四邊形殼單元模擬，殼單元的網(wǎng)格平均尺寸為50 mmx50 mm;扶強(qiáng)材及實(shí)肋板等型材面板構(gòu)件，采用梁?jiǎn)卧M;設(shè)備與基座的連接采用MPC（多點(diǎn)約束）的方式進(jìn)行。本次計(jì)算主要是分析設(shè)備基座的受力情況，有限元模型采用簡(jiǎn)化處理，因外板以及艙壁區(qū)域平均受力較小，故外板縱骨、艙壁扶強(qiáng)材以及局部區(qū)域肘板未在模型中表達(dá)。

圖3? 機(jī)艙區(qū)域有限元模型

2.3? 載荷及工況

2.3.1 載荷的計(jì)算

（1）載荷P按下列公式計(jì)算，取P1和P2中的較小值：

P1=460 （MCL）2/3 （ECH）1/3;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

P2=9 000 MCL（CH D）1/2;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：L為計(jì)算船長（m）;CL為船長系數(shù)，按下式計(jì)算：

（3）

E為船舶的動(dòng)能，按下式計(jì)算：

E=0.5Δ*V2 imp? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

V imp為碰撞速度（m/s），取營運(yùn)航速的2/3;

Δ為排水量，取空船重量和最大營運(yùn)重量的平均值（t）;

D 為型深（m），取龍骨下緣至船體有效梁頂部;

CH=（80-L）/45，但不大于0.75或不小于0.3;

（2）根據(jù)規(guī)范[1]，設(shè)計(jì)碰撞加速度gcoll表示為重力加速度g的倍數(shù)，按下式計(jì)算并按表1進(jìn)行取值：

各參數(shù)計(jì)算結(jié)果，見表2。

各個(gè)方向上碰撞加速度及引起各設(shè)備產(chǎn)生的慣性力計(jì)算結(jié)果，見表3。

2.3.2 載荷的施加

慣性力的施加采用多點(diǎn)約束（MPC）的方法，其原理是將某節(jié)點(diǎn)的自由度定義為其他若干獨(dú)立自由度的函數(shù)。多點(diǎn)約束可用于類似于剛性連接、鉸接等特定的物理現(xiàn)象，能用于單元間的載荷傳遞。

本文采用多點(diǎn)約束，能準(zhǔn)確模擬出船在碰撞時(shí)設(shè)備的慣性力作用在基座的力及力矩。在進(jìn)行載荷的施加時(shí)，將由碰撞加速度引起的慣性力和重力施加在設(shè)備的重心處，慣性力和重力通過MPC傳遞到基座面板上。實(shí)際計(jì)算中，多點(diǎn)約束的主節(jié)點(diǎn)為設(shè)備的重心，是載荷的施加點(diǎn)，包含了節(jié)點(diǎn)位移的六個(gè)自由度，以節(jié)點(diǎn)為設(shè)備基腳與主機(jī)基座縱桁的連接部位，一般設(shè)置在螺栓連接處，并設(shè)定從節(jié)點(diǎn)位移的六個(gè)自由度與主節(jié)點(diǎn)的從屬關(guān)系。

2.4? 應(yīng)力衡準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)范[3]要求，局部強(qiáng)度構(gòu)件計(jì)算應(yīng)力應(yīng)不大于表4所列許用應(yīng)力值：

表中：σsw為鋁合金的焊后屈曲強(qiáng)度，取值110 N/mm2。

2.5? 計(jì)算工況

計(jì)算時(shí)考慮其最危險(xiǎn)的工況，即橫向+垂向+縱向（向前/向后）慣性力的共同作用。故選取以下兩種最危險(xiǎn)的組合工況：

（1）工況1：（m1g+m2g）（發(fā)電機(jī)和主機(jī)自身重力向下）+（F1X+ F2X）（發(fā)電機(jī)和主碰撞加速度向前） + （F1Y+ F2Y） （發(fā)電機(jī)和主機(jī)碰撞慣性力向外舷）+ （F1-Z+ F2-Z） （發(fā)電機(jī)和主機(jī)碰撞慣性力向下）;

（2）工況2：（m1g+ m2g）（發(fā)電機(jī)和主機(jī)自身重力向下）+（F1-X+ F2-X ） （發(fā)電機(jī)和主機(jī)碰撞加速度向后） + （F1Y+ F2Y） （發(fā)電機(jī)和主機(jī)碰撞慣性力向外舷）+ （F1-Z+ F2-Z） （發(fā)電機(jī)和主機(jī)碰撞加速度向下）。

3? ? 計(jì)算結(jié)果

（1）在工況1，殼單元Von Mises應(yīng)力云圖、位移云圖如圖4-7所示。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知：最大Von Mises應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力均發(fā)生在基座面板上，同時(shí)此處產(chǎn)生了一定的應(yīng)力集中，分別為66.6 N/mm2、33.5 N/mm2;梁?jiǎn)卧畲筝S向應(yīng)力為20.5 N/mm2，滿足《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》[3]中有關(guān)衡準(zhǔn)的要求;基座區(qū)域的最大變形發(fā)生在主機(jī)基座面板靠近尾側(cè)安裝螺栓處，位移值為0.80 mm。

（2）在工況2，殼單元Von Mises應(yīng)力云圖、位移云圖如圖8～11所示。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知：最大Von Mises應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力均發(fā)生在基座面板上，分別為43.7 N/mm2、25.2 N/mm2;梁?jiǎn)卧畲筝S向應(yīng)力為14.9 N/mm2，滿足規(guī)范[3]中有關(guān)衡準(zhǔn)的要求;基座區(qū)域的最大變形發(fā)生在發(fā)電機(jī)基座面板靠近尾側(cè)安裝螺栓處，位移值為0.85 mm。

4? ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

在高速客船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使用鋁合金材料可以減輕船體重量、保證經(jīng)濟(jì)效益。但是由于鋁合金剛度和強(qiáng)度均不及鋼材，故在特殊部位設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式、增大結(jié)構(gòu)尺寸、進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，對(duì)主機(jī)基座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化一般可采用如下措施：

（1）增大與設(shè)備連接的螺栓處面板的厚度，減小此處的應(yīng)力集中，使得應(yīng)力分布更加均勻;

（2）在滿足總體性能的同時(shí)盡量降低設(shè)備基座的高度，以降低在碰撞時(shí)基座面板和腹板的彎矩、減小應(yīng)力;

（3）當(dāng)基座腹板較高時(shí)，需增加一定的垂向或縱向扶強(qiáng)材，以增強(qiáng)腹板的穩(wěn)定性。

該典型40 m鋁合金高速客船機(jī)艙內(nèi)基座在設(shè)計(jì)建造過程中，采用了上述措施（1）、（3）對(duì)基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，即主機(jī)及發(fā)電機(jī)基座與結(jié)構(gòu)面板之間采用15 mm墊板進(jìn)行支撐，同時(shí)增加規(guī)格為HP65x3.5的球鋁作為基座腹板的加強(qiáng)。

本文選取工況1對(duì)優(yōu)化后的基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：最大Von Mises應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力均發(fā)生在基座面板上，分別為45.8 N/mm2、23.1 N/mm2;梁?jiǎn)卧畲筝S向應(yīng)力為16.3 N/mm2，滿足《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》[3]中有關(guān)衡準(zhǔn)的要求;基座區(qū)域的最大變形發(fā)生在發(fā)電機(jī)基座面板上，位移值為0.72 mm。

由上可知，主機(jī)及發(fā)電機(jī)基座結(jié)構(gòu)經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化，能明顯改善結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及變形。優(yōu)化前后的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，見表5。

5? ?結(jié)論

采用有限元方法，對(duì)典型40 m鋁合金高速雙體客船機(jī)艙大型設(shè)備基座在產(chǎn)生碰撞加速度的情況下進(jìn)行仿真和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。通過對(duì)最危險(xiǎn)工況的計(jì)算，該船機(jī)艙內(nèi)大型設(shè)備基座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足《海上高速船與建造規(guī)范》[3]的要求。

鋁合金材料在高速船上應(yīng)用越來越廣泛，機(jī)艙內(nèi)設(shè)備基座是船體結(jié)構(gòu)中最重要的組成部分之一，利用有限元法對(duì)其在船體發(fā)生碰撞的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并提出合理化的設(shè)計(jì)意見，對(duì)鋁合金高速船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]2000年國際高速船安全規(guī)則[S].人民交通出版社，2000.

[2]聶武，孫麗萍.船舶計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)[M]，哈爾濱工程大學(xué)出版社，?1996.

[3]中國船級(jí)社. 海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范[S]. 人民交通出版社，2015.