橫梁端部節(jié)點優(yōu)化

呂忠杰，王 樂，朱永安

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913)

0 引 言

橫梁(含縱桁和豎桁)是船舶結(jié)構(gòu)的重要組成部分，由腹板面板焊接而成，主要起保證甲板強(qiáng)度和力的傳遞作用[1]。

不同的端部連接形式對結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度、鋼材使用量、艙室空間利用率、施工便利性等方面都有著不同的影響。選取船體不同典型部位橫梁端部節(jié)點，設(shè)計3種不同類型的節(jié)點形式。建立基于精細(xì)網(wǎng)格的計算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering，CAE)有限元模型，計算分析典型節(jié)點的應(yīng)力分布規(guī)律。比較分析不同連接形式的優(yōu)缺點，提出針對指定部位較優(yōu)的T型材端部連接節(jié)點的形式和尺寸[2]。

根據(jù)橫梁的受力特點，選取主船體甲板橫梁端部與舷側(cè)肋骨/主縱艙壁豎桁的相交節(jié)點，分別以肘板連接、趾端增大和圓弧連接等3種連接方式作為強(qiáng)構(gòu)件間的過渡形式，建立不同連接類型的三維有限元模型，進(jìn)行強(qiáng)度分析計算，重點對不同節(jié)點形式連接區(qū)域構(gòu)件的趾端位置單元的應(yīng)力水平及分布規(guī)律進(jìn)行對比、分析和探討。根據(jù)對比分析得到的結(jié)果，確定較優(yōu)的連接過渡方式及過渡結(jié)構(gòu)的參數(shù)尺寸。

1 研究對象選取

1.1 概 述

甲板橫梁端部節(jié)點形式通常有三角形肘板+面板結(jié)構(gòu)(其中肘板寬度是T型材腹板高度的1.20～1.43倍)、橫梁端部趾端增大和橫梁端部圓弧連接等3種，通過變換圓弧連接節(jié)點的主要參數(shù)，進(jìn)行基于精細(xì)網(wǎng)格的CAE有限元比較分析計算，優(yōu)化得到相對較優(yōu)的橫梁端部連接節(jié)點形式,如圖1所示。

圖1 橫梁端部3種連接節(jié)點形式

1.2 節(jié)點選取

選取典型部位(甲板橫梁端部與舷側(cè)肋骨/主縱艙壁豎桁相交節(jié)點)，以下簡稱“典型部位模型”，如圖2所示，進(jìn)行節(jié)點強(qiáng)度計算。

圖2 典型部位模型結(jié)構(gòu)尺寸

典型部位的橫梁端部連接方式包含3種連接節(jié)點形式，分別為連接形式1、2、3，對應(yīng)圖1中(a)、(b)、(c)。3種節(jié)點的連接方式相關(guān)參數(shù)尺寸設(shè)置如圖1所示。其中，節(jié)點的參數(shù)尺寸包括：采用三角肘板連接時肘板的寬度B；采用圓弧連接方式時的圓弧半徑R；圓弧端部高度C；采用趾端增大角度α的連接方式。

根據(jù)布置的具體需求，如B、C過大則不利于艙室布置； 如R過大則橫梁端部過渡區(qū)域增大，耗費(fèi)鋼材。

綜合考慮上述因素，并參考以往船舶的橫梁端部節(jié)點形式，對主要參數(shù)尺寸進(jìn)行變換組合，如表1所示。

表1 不同連接方式橫梁端部節(jié)點主要尺寸

2 計算模型

通過改變連接過渡方式及參數(shù)尺寸分別構(gòu)造5個節(jié)點模型，計算分析其應(yīng)力情況。模型尺寸及參數(shù)如表2所示。

表2 5個節(jié)點模型尺寸及參數(shù)

2.1 模型范圍及網(wǎng)格

CAE網(wǎng)格的劃分中，對非細(xì)化區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格劃分為100 mm×100 mm，細(xì)化區(qū)域的網(wǎng)格大小為10 mm×10 mm[3]。

模型范圍。船長方向：由細(xì)化節(jié)點肋位分別向艏艉延伸至相鄰強(qiáng)框架；船寬方向：甲板由主縱艙壁向船中延伸4個縱骨間距；垂向：舷側(cè)板和主縱艙壁由細(xì)化區(qū)域向上延伸至相鄰甲板，向下延伸至相鄰第2層甲板。

模型存在2個細(xì)化區(qū)域，如圖3框示位置。

圖3 模型范圍

在3種連接方式下細(xì)化區(qū)域的網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

圖4 在3種連接形式下細(xì)化網(wǎng)格劃分情況

模型中的甲板板、外板板、艙壁、甲板橫梁、實肋板、豎桁的腹板均采用板單元模擬，對于細(xì)化區(qū)域的強(qiáng)橫梁、豎桁的面板也采用板單元模擬。

模型中主要采用四邊形單元，采用少量三角形網(wǎng)格過渡，四邊形單元的邊長比控制在1∶2以內(nèi)。

節(jié)點模型1～節(jié)點模型3中非細(xì)化區(qū)域的強(qiáng)橫梁、水平桁、豎桁的面板，模型中的縱骨、加強(qiáng)筋均采用梁單元模擬。模型中的板厚云圖如圖5所示。

圖5 模型厚度云圖

2.2 節(jié)點質(zhì)量對比

3種節(jié)點連接形式甲板橫梁與舷側(cè)豎桁的相交節(jié)點處的質(zhì)量與采用三角肘板連接時的節(jié)點質(zhì)量進(jìn)行對比，其中，采用三角肘板的質(zhì)量最大，其他連接方式與其差距如表3所示。

統(tǒng)計結(jié)果，若全船T型材肘板(三角形)數(shù)量按約1萬個計算，如果橫梁端部采用圓弧連接或趾端增大連接，每個連接節(jié)點平均質(zhì)量減輕按10 kg計算，那么全船由此可以減輕質(zhì)量約100 t。

表3 典型部位在不同節(jié)點模型工況下的質(zhì)量差

2.3 載 荷

對典形部位模型橫梁所在甲板施加均布載荷，載荷大小為0.01 MPa(1 m水柱，如圖6所示)，使甲板橫梁受彎，考察甲板橫梁端部與舷側(cè)肋骨或主縱艙壁豎桁相交節(jié)點的應(yīng)力水平。

圖6 模型載荷示例

2.4 邊界條件

3種不同的節(jié)點模型的約束條件與其在整船中的相對位置和受力情況相關(guān)。為盡量模擬真實，根據(jù)3種節(jié)點模型在整船中真實的受力情況和邊界條件，對模型施加不同約束，邊界條件如表4所示。

表4 邊界條件

節(jié)點模型的邊界約束位置如圖7所示。

圖7 模型邊界條件

3 應(yīng)力計算結(jié)果及對比分析

3.1 節(jié)點模型應(yīng)力云圖

由于重點考察典型節(jié)點強(qiáng)度性能，且細(xì)化節(jié)點外結(jié)構(gòu)應(yīng)力普遍偏小，為使應(yīng)力云圖更加直觀鮮明，截取5種節(jié)點模型單元形心處中面von Mises應(yīng)力云圖及軟趾應(yīng)力分布放大圖，如圖8～圖12所示。

圖8 節(jié)點模型1單元形心處中面von Mises應(yīng)力云圖及軟趾應(yīng)力分布放大圖

圖9 節(jié)點模型2單元形心處中面von Mises應(yīng)力云圖及軟趾應(yīng)力分布放大圖

圖10 節(jié)點模型3單元形心處中面von Mises應(yīng)力云圖及軟趾應(yīng)力分布放大圖

圖11 節(jié)點模型4單元形心處中面von Mises應(yīng)力云圖及軟趾應(yīng)力分布放大圖

圖12 節(jié)點模型5單元形心處中面von Mises應(yīng)力云圖及軟趾應(yīng)力分布放大圖

圖8為節(jié)點模型1，顯示軟趾應(yīng)力峰值單元中面應(yīng)力為276 MPa。

圖9為節(jié)點模型2，顯示軟趾應(yīng)力峰值單元中面應(yīng)力為391 MPa。

圖10為節(jié)點模型3，顯示軟趾應(yīng)力峰值單元中面應(yīng)力為376 MPa。節(jié)點模型3，即在趾端處增大角度α=20°，軟趾應(yīng)力峰值單元中面應(yīng)力相對較小。

圖11為節(jié)點模型4，顯示軟趾應(yīng)力峰值單元中面應(yīng)力為249 MPa。節(jié)點模型4，即采用圓弧過渡B=2H、R=2H時，軟趾應(yīng)力峰值單元中面應(yīng)力相對較小。

圖12為節(jié)點模型5，顯示軟趾應(yīng)力峰值單元中面應(yīng)力為314 MPa。

3.2 結(jié)果與對比分析

由上述應(yīng)力云圖可看出：5個不同連接過渡方式的應(yīng)力峰值基本都出現(xiàn)在同一位置的單元上。

節(jié)點模型中應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在甲板橫梁與舷側(cè)豎桁的相交節(jié)點處，其中采用圓弧過渡B=2H、R=2H時，軟趾應(yīng)力峰值單元中面應(yīng)力最小為249 MPa。

在典型節(jié)點性能數(shù)值計算中，使用三角肘板連接時由于結(jié)構(gòu)中加載方式的單一性，且三角肘板存在2個軟趾區(qū)域，使得三角肘板中應(yīng)力峰值出現(xiàn)的位置往往與采用其他連接方式有差異，為使應(yīng)力結(jié)果具有可對比性，對5個不同節(jié)點模型對比同一相對位置軟趾處單元的應(yīng)力峰值。

除節(jié)點處的應(yīng)力峰值單元外，當(dāng)各節(jié)點模型采用不同連接方式和參數(shù)尺寸時，橫梁跨中應(yīng)力峰值如表5所示。

表5 不同節(jié)點模型跨中應(yīng)力峰值

由表5可看出：采用不同的連接方式和參數(shù)尺寸時跨中的應(yīng)力變化不大，即典型節(jié)點采用不同的連接方式和參數(shù)尺寸時，僅對節(jié)點性能有較大影響。

4 結(jié) 論

通過計算分析可得到如下結(jié)論：

(1) 通過典型節(jié)點性能的數(shù)值計算，可在三角肘板、圓弧過渡及趾端增大等3種連接方式中找到T型材端部節(jié)點較優(yōu)的連接過渡方式與較優(yōu)的設(shè)計尺寸。綜合考慮，得到典型節(jié)點處較優(yōu)的連接方式為節(jié)點模型4，即圓弧過渡B=2H、R=2H。

(2) 采用三角肘板連接過渡時，可在節(jié)點處形成局部框架，對局部有加強(qiáng)作用，相對于圓弧連接和趾端增大的連接方式，對節(jié)點處應(yīng)力的整體水平有降低的效果，采用三角肘板連接時，工藝要求低，建造容易。但由于三角肘板在軟趾處形成應(yīng)力集中，該處的應(yīng)力相對于采用圓弧過渡和趾端增大的連接方式要大得多，且采用三角肘板鋼料質(zhì)量會較大。而采用圓弧過渡和趾端增大的連接方式時，由于面板的連續(xù)性較好，有利于降低節(jié)點處的峰值應(yīng)力，可延長節(jié)點構(gòu)件的使用壽命。