槽口方箱型船有限元邊界條件施加方法研究

冀溫凱，糜成杰，魏 利

(1．江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江212003;2．南京市長江河道管理處，江蘇 南京210011)

0 引言

隨著港口和航道的開發(fā)建設(shè)，中小型挖泥船的需求越來越大，尤其是帶有槽口的斗輪挖泥船和絞吸挖泥船，其主船體尺度、裝機總功率、最大挖深等要素不斷刷新，因而其主體結(jié)構(gòu)強度和剛度日益受到重視。

挖泥船的結(jié)構(gòu)強度可參照相應(yīng)的規(guī)范進行計算，但對具有較長縱向槽口的主船體，其結(jié)構(gòu)強度規(guī)范計算存有一定的局限性，所以需采用全船有限元方法進行直接分析計算［1，3］。然而由于目前行業(yè)還沒有針對此類船的直接計算指導(dǎo)文件，有限元分析時邊界條件及約束的施加較為隨意，導(dǎo)致分析計算結(jié)果也存有較大的差異，因此考慮到這類船舶結(jié)構(gòu)的安全性，有必要對此進行進一步研究和探討［2，5］。為此，本文以1 750 m3/h斗輪挖泥船為分析對象，采用MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN軟件對不同邊界條件施加情況分別進行分析計算，探討對帶槽口主船體結(jié)構(gòu)強度安全有利的邊界條件施加方法。

1 船型特點及船體受力分析

1．1 船型特點

1 750 m3/h斗輪挖泥船為沿海非自航式挖泥船，主船體前部開槽區(qū)域用于鉸接安放斗輪架等設(shè)施，中后部用于布置機泵艙和定位樁裝置。船長59．8 m，型寬14．8 m，型深 3．9 m，結(jié)構(gòu)吃水 2．3 m，槽口寬度5．5 m。圖1為1 750 m3/h斗輪挖泥船示意圖。

1．2船體受力分析

圖1 1 750 m3/h斗輪挖泥船示意圖

斗輪挖泥船主要包含挖泥作業(yè)和調(diào)遷航行2大工況。該船作業(yè)時主要受到斗輪切削力F1和定位樁的作用力F3等外力作用，如圖2(a)所示。就主船體結(jié)構(gòu)受力而言，作業(yè)時(LC1工況)主要包括由F1和斗輪裝置重量G所引起的首端作用力F和支反力F2、F3以及內(nèi)外舷靜波水壓力;調(diào)遷時(LC2工 況)則無F1和F3的作用，如圖2(b)所示。

圖2 挖泥船受力示意圖

2 有限元模型及載荷施加

2．1 有限元模型

本模型坐標(biāo)系采用右手直角坐標(biāo)系，模型范圍為整船，總節(jié)點數(shù)為175 015，單元數(shù)為126 425。本船船體結(jié)構(gòu)用鋼為CCS-A，泊松比0．3，彈性模量E=2．06 ×1011Pa，密度 7 850 kg/m3。全船有限元模型及厚度分布如圖3所示。

圖3 全船有限元模型及厚度分布

圖4 載荷施加示意圖

表1 各工況作用力 N

3 邊界條件施加方法

2．2 載荷施加

2種工況時，集中作用力均以MPC方式施加在船體相應(yīng)位置上，而靜波水壓力在PATRAN軟件中用場模擬。載荷施加示意圖如圖4所示，具體作用力大小見表1。

由于本船屬于帶槽口的特種船舶，現(xiàn)在國內(nèi)外規(guī)范中沒有對此類船舶全船有限元邊界條件提出明確要求，現(xiàn)參考規(guī)范中其他船型邊界條件的施加方法并結(jié)合本船的受力特點采用6種不同的邊界條件進行對比分析。

參考當(dāng)前規(guī)范［6］里面集裝箱船整船結(jié)構(gòu)強度直接計算所給的邊界條件，結(jié)合本船自身結(jié)構(gòu)特點擬定出第1、第2種邊界條件，具體約束條件參見表2，約束位置如圖5、圖6所示。圖中粗線和數(shù)字為約束位置。表2中，σ表示線位移，θ表示角位移。

表2 邊界條件1/2

圖5 邊界條件1示意圖

圖6 邊界條件2示意圖

第3種邊界條件參考散貨船艙段有限元計算所采用的邊界條件，如圖7所示;第4種邊界條件與第3種邊界條件相比，約束條件不變，僅將約束施加位置由艙壁底部改為相應(yīng)艙壁的中和軸位置［4］;第5種邊界條件結(jié)合集裝箱與艙段計算的邊界條件。具體約束條件見表3，約束位置如圖7、圖8所示。

表3 邊界條件3/5

圖7 邊界條件3示意圖

圖8 邊界條件5示意圖

第6種方法采用慣性釋放法［4，7］。水中航行的船舶處于完全自由狀態(tài)，實際情況是沒有位移約束的。在使用有限元進行靜力分析時，如果沒有施加邊界條件會導(dǎo)致剛體發(fā)生位移，求解得到的剛度矩陣是奇異的。慣性釋放法正好解決了這一問題，在MSC．PATRAN中可以用這種方法對完全沒有約束的結(jié)構(gòu)進行計算，避免了施加邊界條件對結(jié)果的影響。具體操作方式是去掉支座，選取一個參考點，選定計算類型即可。計算原理是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到不平衡的外力會產(chǎn)生一定的加速度，程序?qū)⒚總€節(jié)點的加速度以慣性力的形式反加到結(jié)構(gòu)上，從而使受力達到平衡。

4 結(jié)果與分析

采用通用的MSC．NASTRAN軟件，對處于不同邊界條件時船體結(jié)構(gòu)進行了計算，其應(yīng)力結(jié)果見表4、表5，應(yīng)力云圖如圖9～圖12所示。

表4 不同邊界條件下船體結(jié)構(gòu)的Von－Mises應(yīng)力計算結(jié)果(LC1) MPa

表5 不同邊界條件下船體結(jié)構(gòu)的Von－Mises應(yīng)力計算結(jié)果(LC2) MPa

圖9 邊界條件1作用下船體應(yīng)力云圖(LC1)

圖10 邊界條件3作用下船體應(yīng)力云圖(LC1)

圖11 邊界條件5作用下船體應(yīng)力云圖(LC1)

圖12 邊界條件6作用下船體應(yīng)力云圖(LC1)

根據(jù)計算結(jié)果及應(yīng)力云圖可以得出:

(1)在2種工況下，6種邊界條件的應(yīng)力值全部滿足規(guī)范要求;工況1的應(yīng)力值大于工況2的應(yīng)力值。

(2)在作業(yè)工況和調(diào)遷工況時，邊界條件3、邊界條件4、邊界條件5的應(yīng)力值高于邊界條件1、邊界條件2、邊界條件6，且邊界條件6施加方式應(yīng)力最低。

(3)在作業(yè)工況和調(diào)遷工況時，邊界條件1與邊界條件2、邊界條件3與邊界條件4的應(yīng)力值相近，但后者船底板板應(yīng)力要較前者高約30%;其中作業(yè)工況時，后者槽口側(cè)板應(yīng)力要較前者高約35%。

(4)在作業(yè)工況和調(diào)遷工況時，6種邊界條件槽口端部艙壁的應(yīng)力水平變化不大。

5 結(jié)論

本文在對帶槽口方箱型斗輪挖泥船受力分析的基礎(chǔ)上，利用有限元方法，分別進行了6種不同邊界條件的施加計算，其應(yīng)力結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

通過初步分析比較，邊界條件3和邊界條件4施加時，槽口部位應(yīng)力水平較高，從而說明該邊界條件施加方法對此類船結(jié)構(gòu)分析偏安全較為有利。

對于帶有首尾雙槽口的方箱型船，本邊界條件的施加仍有一定的參考作用，建議按邊界條件3或邊界條件4在槽口端壁施加。

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