有限元計算在某型自卸船建造工藝中的應(yīng)用

胡 晨

（中船澄西船舶修造有限公司設(shè)計部，江蘇 江陰 214400）

0 引言

26000 DWT自卸船貨艙為大開口結(jié)構(gòu)，橫向跨度大，間甲板結(jié)構(gòu)相對較弱，單點(diǎn)裝載系統(tǒng)對其形變要求很高，同時還需評估撓度對艙口蓋產(chǎn)生的影響[1]。由于在建造新船型方面的相關(guān)經(jīng)驗又有所欠缺，通過學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)策劃研究建造工藝和工法，借助自主計算來評估其強(qiáng)度及剛度情況[2-4]。本文借用MSC.Patran和Nastran軟件對間甲板區(qū)域進(jìn)行有限元計算分析，研究造船工藝工法，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，保證公司船舶的順利建造與交付。

1 裝載系統(tǒng)建造工藝工法研究

26000 DWT自卸船主甲板反頂設(shè)置一套單點(diǎn)裝貨系統(tǒng)，需要在甲板下構(gòu)建操作平臺反吊在甲板上，共有14個間甲板設(shè)計了管子單元單點(diǎn)運(yùn)輸裝置，因橫向結(jié)構(gòu)相對較弱，甲板板厚較薄，結(jié)合船型特點(diǎn)開展工藝工法研究，確保吊裝強(qiáng)度，減少變形。

1.1 甲板總段方案研究

甲板分段反頂設(shè)計了單點(diǎn)運(yùn)輸裝置，對比采用傳統(tǒng)方法船臺、船塢吊裝定位，增加吊裝難度和風(fēng)險、裝配腳手搭設(shè)等工作量，影響合攏周期效率低下。研究采用總段階段安裝單點(diǎn)運(yùn)輸裝置，甲板上安裝橫向艙口圍的建造方式增加強(qiáng)度。

1.2 甲板總段制作方案策劃

甲板502～504、506～509、512、514～517、519、520分段與橫向艙口圍總組焊接后正態(tài)安裝單點(diǎn)運(yùn)輸支架。結(jié)合總段鋪墩圖（見圖1）提前放置單點(diǎn)運(yùn)輸支架到指定位置，按照圖紙尺寸要求完成總段胎架，甲板左右兩端向下放5 mm反變形。甲板吊裝拼接后檢查控制甲板的平整度和梁拱，必要時火工調(diào)整甲板變形來確保平整度，甲板與胎架應(yīng)焊接固定，減少變形。

圖1 總段支撐示意圖

1.3 艙口圍安裝焊接要求

甲板拼接焊后吊裝橫向艙口圍，檢查艙口圍面板的平整度腹板垂直度，平整度±3 mm、垂直度±4 mm，精度檢查合格后，艙口圍需加強(qiáng)固定后焊接，按照焊接原則工藝控制焊接順序防止甲板過度變形后影響單點(diǎn)運(yùn)輸支架安裝，焊接順序示意圖如圖2所示。

圖2 焊接順序示意圖

1.4 總段方案評估

甲板總段按以上研究方案實(shí)施后增加了橫向艙口圍和單點(diǎn)支架，艙口圍傳統(tǒng)方式在船臺階段搭載，對比現(xiàn)方案在總段階段安裝艙口圍可增加甲板強(qiáng)度，故需要開展有限元計算等方式進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核，確?？偠蔚跹b定位不變形[5-6]。

2 有限元計算

26000 DWT自卸船主甲板總段方案策劃需校核強(qiáng)度，減少吊裝變形。針對總段復(fù)雜形狀變形體，需完整獲取在復(fù)雜外力作用下內(nèi)部準(zhǔn)確力學(xué)信息。在準(zhǔn)確進(jìn)行力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計師應(yīng)對該總段進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等方面評判，以便對不合理的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行修改，以得到較優(yōu)化的設(shè)計方案。

2.1 模型選取與創(chuàng)建

由于全船間甲板有3種不同規(guī)格的寬度（2450 mm、4890 mm、14650 mm），而2個較寬的間甲板梁下方均有槽型艙壁支撐，因此選寬度為2450 mm的較弱間甲板；與間甲板相連的頂邊艙甲板又有幾種不同規(guī)格的板厚，選最薄的13 mm進(jìn)行建模計算。

模型縱向范圍從FR236到FR239，即與間甲板對接的兩檔強(qiáng)框架，跨度ΔX=2450 mm；橫向范圍從左舷外板至右舷外板，因為靠近艏部區(qū)域，外板模型涉及曲面，跨度ΔY≈23756 mm；垂向范圍為11305平臺以上的全部結(jié)構(gòu)，包括艙口圍結(jié)構(gòu)。由于此次評估主要以形變?yōu)橹?，因此整個模型全部以二維殼單元進(jìn)行模擬。間甲板中間正下方為單點(diǎn)卸貨系統(tǒng)，系統(tǒng)軌道架設(shè)于圓管支架之上，圓管支架采用一維梁單元建模并附截面屬性[7-9]。

此次計算采用網(wǎng)格直接建模方式，整體模型不是相當(dāng)大，因此除特殊位置外，網(wǎng)格大小為上限250 mm，下限150 mm，平均為200 mm×200 mm，即肋距為813.33 mm分四等分；橫向檔距為725 mm分三等分。

2.2 材料屬性及邊界條件設(shè)置

本模型共有A級鋼與高強(qiáng)度AH36鋼2種規(guī)格，其楊氏模量均為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，剪切模量為79230 N/mm2，密度為7.85×10-9t/mm2。板厚屬性按照退審圖紙，選取其建造厚度賦予。

在間甲板大跨度兩端設(shè)置為簡支約束，即左端面11305平臺約束為δx=δy=δz=0，θy=θz=0，右端面11305平臺約束為δx=δz=0，θy=θz=0；在前后剖面的強(qiáng)結(jié)構(gòu)處，僅約束縱向位移，即δx=0。

2.3 載荷與工況設(shè)定

單點(diǎn)卸貨系統(tǒng)軌道貫穿于整個貨艙區(qū)域，圓管支架受力載荷取最大情況，為28 t，即4個點(diǎn)位每點(diǎn)7 t集中力；結(jié)構(gòu)自重為重力釋放方式加載；艙口蓋結(jié)構(gòu)重量等效到艙口圍上為單邊3 t均布載荷，見表1。

表1 載荷分布情況表

2.4 分析計算結(jié)果

將設(shè)置好的完整模型提交靜力計算，根據(jù)計算結(jié)果的應(yīng)變云圖顯示，最大船體結(jié)構(gòu)變形為14.4 mm，位于間甲板最中間位置處；最大應(yīng)力64.7 MPa，位于圓管支架與間甲板連接處，如圖3所示。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變云圖

3 經(jīng)驗計算

3.1 求解撓曲線方程

設(shè)定此間甲板滿足“平斷面假定”，即假定梁在彎曲前的橫斷面在彎曲后仍為平面[1]。梁兩端的位移邊界條件設(shè)定為兩端簡支，即兩端點(diǎn)撓度為0，ν0=0，νL=0；且兩端點(diǎn)的彎矩為0，M0=ELν”=0，ML=0。

將上述左端撓度與彎矩條件代入撓曲線方程：

再將右端撓度與彎矩條件代入式（1），且對式（1）求二階導(dǎo)可得：

解此二元一次方程組得：

將以上解重新代入到撓曲線方程，可得：

3.2 求解剖面慣性矩

間甲板梁的剖面由1塊寬度2450 mm，厚度10 mm主甲板、前后各1塊高度1025 mm，厚度11 mm的艙口蓋腹板、腹板頂部各1塊長度400 mm，厚度20 mm的艙口蓋頂板、腹板中部前后各1塊180×8的球扁鋼、以及間甲板下方前后各1塊200×10的球扁鋼組成。由于整體結(jié)構(gòu)呈左右對稱，所以其重心X=0 mm；將每塊板各自的重量重心加權(quán)平均，算得其Y向重心位置為Y=406.91 mm。

得：Ix≈1.38 × 1010mm4

3.3 計算最大撓度

長度L為1.6×104mm，彈性模量E為2.06×105MPa。自身重量約25.6 t，等效為2.56×105N均布載荷設(shè)置；艙口蓋兩邊各3 t，等效為6×104N均布載荷設(shè)置，因此均布載荷q的值為19.75N/L；單點(diǎn)卸貨系統(tǒng)等效為2.8×105N集中載荷設(shè)置，受力在間甲板梁正中部。將上述條件代入式（2）解方程，得：

得ν≈14.31 mm。

此結(jié)果與有限元分析計算的應(yīng)變結(jié)果相當(dāng)接近。

表2 甲板總段定位數(shù)據(jù)表

序號 分段名 檢查位置1/mm檢查位置3/mm 6 508+7014+7015 4 -5 1 7 509+7016+7017 5 -4 4 8 512+7022+7023 2 -3 3 9 514+7026+7027 4 -4 3 10 515+7028+7029 2 -2 4 11 516+7030+7031 3 -2 4 12 517+7032+7033 2 -3 3 13 519+7036+7037 4 -4 2 14 520+7038+7039 5 -5 4檢查位置2/mm

4 結(jié)語

本文采用了2種方法對26000 DWT自卸船間甲板進(jìn)行強(qiáng)度與剛度校核。剛度方面：整個間甲板橫跨梁呈現(xiàn)中間逐漸下沉趨勢，有限元計算應(yīng)變最大結(jié)果為14.4 mm，于間甲板最中間部位；經(jīng)驗公式計算最大撓度為14.31 mm，于間甲板最中間部位。兩者結(jié)果相當(dāng)接近，且結(jié)果滿足建造與驗收需求；強(qiáng)度方面：整個模型最大應(yīng)力為64.7 MPa，于間甲板中部球扁鋼與圓管支架相連位置，此處結(jié)構(gòu)為AH36高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度為355 MPa，接近5.5倍安全系數(shù)，因此強(qiáng)度也滿足相關(guān)要求。經(jīng)精度管理現(xiàn)場管控甲板總段定位最大變形約10 mm（艙口蓋未安裝時數(shù)據(jù)），整體數(shù)據(jù)可控，滿足精度要求。