打樁船橫向強度直接計算分析

摘要：由于本船的寬深比大于現(xiàn)行規(guī)范所要求的數(shù)值，故應用有限元分析方法計算打樁船的橫向強度。

關鍵詞：橫向強度；有限元

1 引言

船體結構抵抗橫向變形活破壞的能力稱為船體橫向強度。船體在外力的作用下，除了發(fā)生總縱彎曲外，還有船寬方向的變形，這是由于水對船體外板的壓力以及在甲板、船底內(nèi)部設備的結果。本船是1993年在日本建造的寬深比大于3的箱型駁，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[1]要求需應用直接計算法校核其橫向強度。

2 船舶概述

本船為為鋼質、單底、單甲板、主船體縱骨架式結構、甲板室橫骨架式結構非自航的砂樁致密打樁船，船頭設有三連裝的打樁設備，可同時進行打樁。

本船可在沿海作業(yè)、無限航區(qū)調(diào)遣。適用于碼頭、橋梁、人工島的水下基礎工程建設。

本船主要參數(shù)：

3 三維結構計算模型及邊界條件

3.1 計算結構模型

根據(jù)規(guī)范要求，為了較為準確計算分析船體的橫向結構強度，取船中的一個典型艙段作為分析對象（見圖1），進行有限元橫向強度直接計算分析。

有限元計算分析程序采用國際大型通用有限元計算程序PATRAN進行。模型的前后端面取在橫艙壁處（包括橫艙壁），其縱向范圍為Fr10 ～ Fr16，模型寬取整個船寬，模型高度取整個船的高度。計算結構模型的有限元網(wǎng)格沿船體縱向按肋板間距劃分4等分，沿船體橫向按縱骨間距劃分3等分，沿船體高度也按縱骨間距劃分。船體的各類板材如艙壁、船底板、舷側外板、甲板板、實肋板腹板、桁材腹板、甲板強橫梁腹板、強肋骨腹板采用四邊形板單元模擬，面板、縱骨及扶強材按梁單元模擬。船體三維計算模型用板單元和梁單元兩種，共有8 828個單元，4 296個節(jié)點。船體三維有限元模型示意圖，見圖2、圖3。

3.2 模型坐標系

船寬方向為X軸，正方向由船中指向左舷；型深方向為Y軸，正方向由船底指向甲板；船長方向為Z軸，正方向由船尾指向船首。

3.3 材料

本船結構材料采用普通碳素鋼，屈服強度為235Mpa

3.4 邊界條件

在模型的首尾端面處的所有節(jié)點約束3 個方向的線位移，即δx=0，δy=0 ，δz=0 ，見圖4。

4 模型載荷

按規(guī)范要求載荷作用如圖5所示。

舷外水壓力載荷：

在基線處： PB = 10d ±1.5C kN/m2

在水線處： Pw = ±3C kN/m2

在舷側頂端處： Ps= 3P0 kN/m2

其中P0 = C–0.67（D-d） kN/mm2

由上圖可見，舷外水壓力載荷沿垂向呈線性分布，故施加在有限元模型上的載荷可使用場函數(shù)方法施加。

施加函數(shù)為：

舷外對稱水壓力：基線至水線0.030708-5.37714* 0.000001*Z

基線至舷側頂端：P=0.019416-0.00000201*（Z-2100）

舷外非對稱水壓力：右舷基線至水線0.030708-5.37714*0.000001*Z

右舷基線至舷側頂端：P=0.019416-0.00000201* （Z-2100）

左舷基線以上：max（0，0.011292-1.46229* 0.00001*Z）

甲板均布水壓力：Ps=0.015396N/mm2

NO.3 壓載艙滿載：1.025*0.000001*9.81*（4100-Z）

本計算考慮工況如表1所列。

5 計算結果

5.1 強度衡準

按照規(guī)范要求，板單元許用相當應力為170N/mm2，甲板梁腹板、船底肋板許用剪切應力為90N/mm2，橫向桁架撐桿許用正應力為141N/mm2，其余為170N/mm2。

5.2 各個工況計算應力匯總

在船中艙段中，由于艙段中間位置的強框架靠近舷側位置為艙壁結構，故評估范圍為中間強框架及其前后各取一強框架進行應力評估（表2）。

由表2可見：板單元應力小于170 N/mm2，甲板梁腹板、船底肋板的剪切應力小于90 N/mm2，橫向桁架撐桿正應力小于141 N/mm2，其余為各構件應力值均小于170 N/mm2。因此，本船橫向強框架各項應力均滿足規(guī)范要求。

最大板單元應力云圖，見圖6。最大板單元剪切應力云圖，見圖7.

5.3 屈服評估

本計算對所選擇強度評估強框架進行屈曲評估，經(jīng)過計算，最小屈曲因子為1.05>1，發(fā)生在中間強框架實肋板上的肘板，故對此區(qū)域要仔細檢測。

屈服模式下的云圖，見圖8。屈服模式下的位移圖，見圖9。

6 結論

本船橫向強度滿足規(guī)范要求和使用要求。但本計算只是滿足規(guī)范要求進行的必要計算，對于其他一些工況沒有考慮，如船舶在斜浪作用下彎扭組合的橫向強度問題沒有進行考慮等。

參考文獻

1. 中國船級社， 鋼質海船入級與建造規(guī)范， 2009