58m起重船有限元強(qiáng)度計(jì)算

許君林

摘 要：起重船作為一種工程船舶，在行業(yè)內(nèi)具有一定的地位與價(jià)值，可滿足航道架橋、打撈沉船、肅清阻礙等任務(wù)要求。本文根據(jù)中國船級(jí)社《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》的相關(guān)要求，利用MSC.Patran/Nastran 軟件對(duì)一艘58m 起重船進(jìn)行橫向強(qiáng)度建模和計(jì)算，驗(yàn)證船舶設(shè)計(jì)的安全性。

關(guān)鍵詞：起重船;有限元計(jì)算;橫向強(qiáng)度

海洋是人類生存與發(fā)展的資源寶庫，人類社會(huì)正在以全新的姿態(tài)向海洋進(jìn)軍[1]。我國有漫長的海岸線、300萬平方公里的海洋國土。海洋事業(yè)的發(fā)展步伐一直在加快，人們開始注重深海的開發(fā)，在海洋工程建設(shè)過程中，各種特種船舶在海洋工程建設(shè)中發(fā)揮的作用日益重要[2]。起重船是專門用于起重的工程船， 又稱浮吊，是海洋工程建設(shè)的重要工程船舶，是海洋開發(fā)的必備工具[3]。然而由于起重船特別的工作形式，其船體構(gòu)造和所受載荷存在著不同于其它類型船舶的特點(diǎn)。因此有效的對(duì)起重船的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析在設(shè)計(jì)過程中起到了非常重要的作用[4]。

本文根據(jù)中國船級(jí)社《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》[5]（2018 及 2019 修改通報(bào)）12.1.3.7 的規(guī)定，對(duì)于B/ D大于3的箱型駁船，按照第二篇第十二章中附錄“箱型駁船橫向強(qiáng)度校核方法”，運(yùn)用 MSC.Patran/Nastran 軟件進(jìn)行建模，采用三維有限元模型，用直接計(jì)算校核其橫向強(qiáng)度。

1 起重船主尺度

該船的總長為58.00m，垂線間長為56.29m，型寬21.00m，型深4.20m，吃水1.90m肋距0.5m，甲板載荷5t/m2，起吊荷重453t。

2 有限元模型

2.1結(jié)構(gòu)模型

運(yùn)用 MSC.Patran/Nastran 軟件進(jìn)行建模及計(jì)算。采用三維有限元模型，根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2018及2019修改通報(bào)）中第二篇第十二章中附錄“箱型駁船橫向強(qiáng)度校核方法”3.1.1 規(guī)定，模型橫向范圍選取為整個(gè)船寬，艙段模型的縱向范圍從#70肋位到#86肋位（兩端的橫艙壁包括在模型內(nèi)）;垂向范圍為整個(gè)型深。其中甲板、艙壁等平板結(jié)構(gòu)用板單元模擬，肋板、船底龍骨、甲板縱桁、甲板強(qiáng)橫梁、舷側(cè)縱桁、舷側(cè)強(qiáng)肋骨、艙壁垂直桁等腹板用板單元模擬，面板用梁單元模擬;其它小的骨材及支柱用梁單元模擬。

有限元模型有節(jié)點(diǎn)13365個(gè)，單元19717個(gè)。模型材料：彈性模量 E=2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.85t/m3。有限元模型如圖1和圖2所示。

2.2 坐標(biāo)系

取直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)系統(tǒng)原點(diǎn)0位于Fr72號(hào)船底中線處，X軸向船艏為正方向，Y軸向左側(cè)舷為正方向，Z軸向上為正方向。

2.3 邊界條件位置

根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2018 及 2019 修改通報(bào)）中第二篇第十二章附錄 3.1.3.1 規(guī)定，模型的兩端（簡稱A端和B端）均需約束。詳細(xì)邊界條件見表1。

3 計(jì)算工況及載荷

3.1 計(jì)算工況

根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2018 及 2019 修改通報(bào)）中第 2 篇第 12 章附錄 2.1.2 規(guī)定如下：為考慮橫浪作用沿船長局部范圍內(nèi)產(chǎn)生的效果，在計(jì)算工況中采用施加于兩舷的不對(duì)稱舷外水壓力來模擬?？杉俣ㄒ幌蟼?cè)受到靜水壓力和波浪壓力的疊加作用，另一舷側(cè)受靜水壓力和反向波浪動(dòng)壓力的作用。

考慮以下兩種工況：

（1）對(duì)稱工況：甲板最大許用荷載+舷外靜水壓力+由外向內(nèi)作用的兩舷對(duì)稱受壓的波浪動(dòng)壓力;

（2）非對(duì)稱工況：甲板最大許用荷載+舷外靜水壓力+一舷由外向內(nèi)、另一舷由內(nèi)向外作用的反對(duì)稱波浪動(dòng)壓力。

3.2 舷外水壓力

根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2018 及 2019 修改通報(bào)）中第 2 篇第 12 章附錄 2.1.2 規(guī)定如下：

舷外水壓力由靜水壓力和波浪水動(dòng)壓力兩部分組成：

3.3 許用應(yīng)力

根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2018 及 2019 修改通報(bào)）第 2 篇第 12 章附錄 4.2.1.1 規(guī)定，對(duì)于板單元，強(qiáng)肋骨腹板、縱艙壁垂直桁腹板的板單元相當(dāng)應(yīng)力σe為170N/mm2，基于腹板總高度的平均剪切應(yīng)力τ無要求;甲板強(qiáng)橫梁腹板、船底肋板的板單元相當(dāng)應(yīng)力σe為170N/mm2，基于腹板總高度的平均剪切應(yīng)力τ為90N/mm2。對(duì)于梁單元和桿單元，模擬橫框架強(qiáng)構(gòu)件腹板上面板的梁單元或設(shè)置在橫向構(gòu)件上的梁的正應(yīng)力σrod為170N/mm2，橫向桁架撐桿的橫向桁架撐桿σrod為141N/mm2。

4 強(qiáng)度評(píng)估

根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2018 及 2019 修改通報(bào)）第 2 篇第 12 章附錄 4.1.1.1 規(guī)定，有限元的結(jié)果評(píng)估取值范圍應(yīng)基于模型中的一個(gè)橫向強(qiáng)框架。計(jì)算結(jié)果選取各強(qiáng)框架最大值進(jìn)行應(yīng)力評(píng)估，各主要構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果如下：

（1）強(qiáng)肋骨腹板：在載荷工況1中，相當(dāng)應(yīng)力為111N/mm2，在載荷工況2中，相當(dāng)應(yīng)力為111N/mm2， 相當(dāng)應(yīng)力最大的位置為Fr78 肋位，強(qiáng)肋骨與強(qiáng)橫梁相交處;

（2）強(qiáng)肋骨腹板上面板梁單元：：在載荷工況1中，相當(dāng)應(yīng)力為67.6N/mm2， 在載荷工況2中，相當(dāng)應(yīng)力為67.7N/mm2， 相當(dāng)應(yīng)力最大的位置為Fr78 肋位，舷側(cè)強(qiáng)肋骨與強(qiáng)橫梁相交處;

（3）縱艙壁垂直桁腹板：在載荷工況1中，相當(dāng)應(yīng)力為26.5N/mm2， 在載荷工況2中，相當(dāng)應(yīng)力為25.3N/mm2， 相當(dāng)應(yīng)力最大的位置為Fr78 肋位，強(qiáng)肋骨與強(qiáng)橫梁相交處;

（4）縱艙壁垂直桁腹板上面板梁單元：在載荷工況1中，相當(dāng)應(yīng)力為22.4N/mm2，在載荷工況2中，相當(dāng)應(yīng)力為22.7N/mm2，相當(dāng)應(yīng)力最大的位置為Fr78 肋位，縱艙壁垂直桁與實(shí)肋板相交處;

（5）甲板強(qiáng)橫梁腹板：在載荷工況1中，相當(dāng)應(yīng)力為39.3N/mm2，剪切應(yīng)力為16.8N/mm2，在載荷工況2中，相當(dāng)應(yīng)力為39.3N/mm2，剪切應(yīng)力為16.7N/mm2，相當(dāng)應(yīng)力最大的位置為Fr78 肋位，甲板強(qiáng)橫梁與縱艙壁垂直桁相交處;

（6）甲板強(qiáng)橫梁腹板上面板梁單元：在載荷工況1中，相當(dāng)應(yīng)力為38.2N/mm2，在載荷工況2中，相當(dāng)應(yīng)力為42N/mm2，相當(dāng)應(yīng)力最大的位置為Fr78 肋位，甲板強(qiáng)橫梁與縱艙壁垂直桁相交處;

（7）船底實(shí)肋板：在載荷工況1中，相當(dāng)應(yīng)力為42.8N/mm2，剪切應(yīng)力為17.7N/mm2，在載荷工況2中，相當(dāng)應(yīng)力為44.4N/mm2，剪切應(yīng)力為16.9N/mm2，相當(dāng)應(yīng)力最大的位置為Fr78 肋位，實(shí)肋板與船舭部相交處;

（8）船底實(shí)肋板上面板梁單元：在載荷工況1中，相當(dāng)應(yīng)力為35.4N/mm2，在載荷工況2中，相當(dāng)應(yīng)力為28.6N/mm2，相當(dāng)應(yīng)力最大的位置為Fr78 肋位，實(shí)肋板與垂向撐桿相交處;

（9）支柱及橫向桁架撐桿：在載荷工況1中，相當(dāng)應(yīng)力為105N/mm2，在載荷工況2中，相當(dāng)應(yīng)力為105N/mm2，相當(dāng)應(yīng)力最大的位置為Fr78 肋位，垂向撐桿與實(shí)肋板相交處。

部分結(jié)構(gòu)的在最危險(xiǎn)工況下的應(yīng)力云圖如圖3-6所示。

5 結(jié)論

通過對(duì)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力分析和變形匯總，發(fā)現(xiàn)本船的應(yīng)力和變形都在法規(guī)允許范圍內(nèi)。

經(jīng)過橫向強(qiáng)度評(píng)估分析，可以得出結(jié)論：本船橫向強(qiáng)度滿足《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2018 及 2019 修改通報(bào)）附錄“箱型駁船橫向強(qiáng)度校核方法”中相關(guān)要求，因此可滿足各工況下的作業(yè)強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳婷，張琳琳，楊榮升.海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)文明[J].人民之聲，2013（07）：29-32.

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