雙體起重工作船總強度有限元分析

張彬

(泰州市地方海事局，江蘇泰州225307)

0 引言

隨著海洋石油開發(fā)、大型海上工程、港建水工作業(yè)、海上風(fēng)電機場、造船工程和海難救助事業(yè)的發(fā)展，作為不可缺少的工程船舶的大型起重船近幾十年來有了長足的發(fā)展。起重船是技術(shù)形態(tài)較復(fù)雜的工程船，除了涵蓋常規(guī)船舶的技術(shù)特點外，還具有特殊的性能和要求。其與常規(guī)船在線型、主尺度和裝載上主要差別為甲板面積大;船舶寬度與吃水之比遠遠超出常規(guī)船，起重船一般為6～14，常規(guī)船約為2～3;起重船船型以箱型居多。

700 t雙體起重工作船是一艘特殊的起重船，由連接橋及兩個對稱的、具有相同線型且平行布置的片體組成，兩個片體通過尾部連接橋緊緊地連接在一起。連接兩片體的連接橋除了承受波浪載荷意外，影響最大的是橫向彎曲及扭轉(zhuǎn)力矩[1]。由于本文涉及的起重工作船兼具雙體船和起重船的雙重定義，結(jié)構(gòu)形式又不同于一般的雙體船，僅其尾部有連接橋，因此船的結(jié)構(gòu)相對更為復(fù)雜。在分析雙體船的總橫強度及扭轉(zhuǎn)強度時，一般采用有限元分析程序進行計算[2，3]。馮堅、谷家揚根據(jù)《內(nèi)河高速船入級與建造規(guī)范(2002)》采用有限元方法對11.9 m雙體交通艇總強度進行了有限元分析[4]，管義鋒、黃渙青、谷家揚等[5]根據(jù)《海上高速船入級與建造規(guī)范(2005)》對沿海航區(qū)的27.6 m雙體鋁合金高速客船強度進行了分析，根據(jù)計算結(jié)果對船體的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了合理建議。

本文利用大型有限元分析軟件 MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN對700 t雙體起重工作船總橫強度及扭轉(zhuǎn)強度進行校核。本船根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范(2009)》的要求進行設(shè)計建造。目前，該規(guī)范中關(guān)于連接橋設(shè)計的內(nèi)容較少，但在總強度要求中提出應(yīng)校核總橫強度和扭轉(zhuǎn)強度。

1 船舶主要參數(shù)

本船設(shè)計航區(qū)為內(nèi)河B級，主要功能是將修理的船舶尾梢抬起，以便水下工程檢修、保養(yǎng)，同時配置輔助加工設(shè)備，增強舾裝碼頭能力。船體材料使用CCS－A級鋼板，片體船底、甲板及舷側(cè)骨架均為縱骨架式，連接橋及抗扭箱骨架為縱骨架式。本船總長60.00 m，水線長60.00 m，型寬41.20 m，型深3.20 m，設(shè)計吃水1.60 m，肋距0.50 m?？偛贾脠D和起重機構(gòu)總成分別如圖1和圖2所示。

2 有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)模型

700 t雙體起重工作船為左右對稱結(jié)構(gòu)，整個模型取最上層主甲板以下全船結(jié)構(gòu)。模型范圍:整個船長;橫向為整個船寬;垂向為從基線至最上層主甲板。模型片體/連接橋甲板、舷側(cè)板、片體/連接橋底板、橫艙壁/橫隔板、縱桁、強橫梁以及各強構(gòu)件腹板等均采用二維3、4節(jié)點殼單元模擬，其他縱骨、加強筋以及強構(gòu)件面板等用2節(jié)點梁單元模擬。本模型總節(jié)點數(shù)為112 026，單元數(shù)為171 577。模型材料:彈性模量E=2.06×105MPa，密度2.75 t/m3，泊松比0.3。模型如圖3、圖4所示。

圖1 700 t雙體起重工作船總布置圖

圖2 700 t雙體起重工作船起重機構(gòu)總成

圖3 整體有限元模型

圖4 有限元模型板厚分布圖

2.2 邊界條件及載荷施加

本模型坐標(biāo)系為:坐標(biāo)系統(tǒng)的原點取在船體中心線與基線相交處。X軸指向船首為正;Y軸由原點指向左舷為正;Z軸垂直向上為正。

參照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范(2009)》第14.6.4節(jié)中雙體船的邊界條件對700 t雙體起重工作船進行總橫強度計算和扭轉(zhuǎn)強度計算，邊界條件及載荷施加如下:

(1)進行總橫強度計算時，可將其中一個片體的底部施加約束。采取在舭部節(jié)點上施加線位移約束:ux=uy=uz=0，在船底強構(gòu)件交叉節(jié)點上施加線位移約束:ux=uz=0。在另一個片體上施加連接橋垂向剪力，垂向剪力應(yīng)平均施加在片體中縱剖面船底強構(gòu)件的交叉節(jié)點上。

(2)進行扭轉(zhuǎn)強度計算時，在連接橋中心點上施加全位移約束:ux=uy=uz=0，θx=θy=θz=0。扭轉(zhuǎn)載荷施加在雙體船的兩個片體上。在片體形心處建立獨立點，將獨立點所在的縱向平面內(nèi)的各節(jié)點與獨立點進行剛性關(guān)聯(lián)，然后在剛性點處施加扭矩。

3 工況及載荷計算

3.1 工況

根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范(2009)》(簡稱“規(guī)范”)，本船計算工況分為;LC1，總橫強度計算; LC2，扭轉(zhuǎn)強度計算。

3.2 載荷計算

3.2.1 總橫彎矩

按“規(guī)范”第14.6.2.1節(jié)，雙體船的總橫彎矩可按下式計算:

式中:Mb為雙體船的總橫彎矩，kN·m;Bc為任一片體中心至連接校驗處的距離，Bc=16.3 m;?為排水量，?=1 635.5 t;s為航區(qū)系數(shù)，s=9.0。

把上述數(shù)據(jù)代入后，Mb=29 058 kN·m

3.2.2 垂向剪力

按“規(guī)范”第14.6.2.2節(jié)，雙體船在連接橋中縱剖面處的垂向剪力可按下式計算:

式中:Q為重向剪力，kN。

3.2.3 橫向扭矩

按“規(guī)范”第14.6.2.3節(jié)，兩片體因不同步縱搖引起的對橫向X軸的扭矩可按下式計算:

式中:Mt為橫向扭矩，kN·m;Ca為水線面修正系數(shù)，按“規(guī)范”中表14.6.2.3確定;b、b1分別為雙體船片體寬度和連接橋?qū)挾龋琤=8.6 m，b1=24 m;d為滿載吃水，d=1.60m;r為計算半波高，B級航區(qū)取r=0.75 m;L為雙體船的船長，L=60 m。

4 分析結(jié)果匯總

許用應(yīng)力衡準(zhǔn)是根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2012修改通報)中表14.7.6.1選取，有限元分析應(yīng)力結(jié)果匯總見表1。表中:σe為板單元中面相當(dāng)應(yīng)力;σl為板單元與板格長邊和短邊平行方向的表面力;τ為表示板或梁構(gòu)件剪應(yīng)力。700 t雙體起重工作船整體變形如圖5、圖6所示。

5 結(jié)論

(1)從表1得知，700 t雙體起重工作船結(jié)構(gòu)強度滿足《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2012修改通報)要求的總橫強度和抗扭強度要求。

(2)常規(guī)雙體船連接橋都是從首部延伸到尾部，本船僅在尾部設(shè)有連接橋。在總橫強度和扭轉(zhuǎn)強度計算中發(fā)現(xiàn)，尾部上層建筑對于強度影響很大。由于強度需要，上層建筑的部分區(qū)域板厚從4 mm增厚到了6 mm。

(3)在計算中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)r24至 Fr30片體距中12 000 mm處的內(nèi)舷側(cè)板受力較大，在設(shè)計中采用了加大加密強肋骨以及在連接橋上設(shè)置大肘板的方法減小應(yīng)力。

表1 應(yīng)力結(jié)果匯總表

圖5 有限元模型變形圖(橫向彎曲)

圖6 有限元模型變形圖(扭轉(zhuǎn))

[1] 李永正，尹群，劉琰.雙體船連接橋強度有限元分析[J].造船技術(shù)，2004，(6):18－21.

[2] 陳超核，楊永謙.有限元分析雙體船扭轉(zhuǎn)強度[J].海南大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版，2000，(6):126－130.

[3] 鄭杰，謝偉，駱偉，胡要武，楊龍.穿浪雙體船橫向強度與扭轉(zhuǎn)強度的有限元計算[J].中國艦船研究，2010，(2):14－18.

[4] 馮堅，谷家揚.11.9 m雙體交通艇總強度有限元分析[J].江蘇船舶，2010，27(3):5－10.

[5] 管義鋒，黃渙青，谷家揚.雙體鋁合金高速客船強度有限元分析研究[J].船舶工程，2001，33(6):14－17.

[6] 中國船級社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[M].北京:人民交通出版社，2009.