35 m拼接式躉船連接螺栓有限元強度分析

沈 平，陳艷春

(1.姜堰市地方海事處，江蘇姜堰225500;2.泰州市地方海事局，江蘇泰州225300)

0 引言

水面垃圾清理船是一種用于打撈江河、湖泊、港口水面漂浮垃圾的專業工作船，隨著我國科技的進一步發展，對環境保護的日益重視，水面垃圾清理船將成為水面清理工作的重要工具[2]。對水面垃圾進行清撈與治理，可為航運及旅游事業的發展提供良好的環境基礎，保持水路交通暢通，提高水上交通的安全系數，確保水體生物物種的生態平衡，進而產生顯著的社會、環境和經濟效益。

35 m躉船為雅礱江右岸的浮動式躉船，主要用于本處清漂船的停靠、水上漂浮物轉載和相關人員的工作和生活。本船根據《機械設計手冊》第4版第2卷對該船的連接螺栓強度進行計算校核。由于本船的螺栓數目較多，各個螺栓受力復雜，很難用直接計算法進行螺栓強度校核，因此，本文按照設計圖紙，使用MSC.PATRAN有限元軟件對該船貨艙段主要構件及連接螺栓建立有限元模型，并對螺栓強度校核結果進行分析和探討。

1 實船概要

本躉船系拼裝式碼頭躉船，主船體由6個箱式片體分左右兩舷拼裝而成，每舷各3個片體，片體與片體之間用螺栓連接。本船主甲板上首尾布置有錨泊設備，尾部近中設有甲板室，甲板室前區設有1間辦公室兼標準間休息室，后區設有洗手間、工具間、配電間等艙室設施。前部設傳輸帶機1臺，用于傳輸清漂船收集的水草垃圾等。本躉船片體采用M42 mm×80 mm的螺栓連接，材質為Q235，性能等級為8.8級。該船總布置圖如圖1所示。

圖1 35 m躉船總布置圖

其主要尺度為:總長34.60 m，水線長33.74 m，型寬8.50 m，型深1.90 m，設計吃水1.10 m，肋距0.50 m，滿載排水量8.50 t。

本船選用材料為碳素鋼:彈性模量E=2.06× 105MPa，泊松比0.3，密度7.85 t/m3。

2 有限元模型

2.1 結構模型

船體及螺栓結構均采用有限元軟件MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN進行建模及應力校核計算。采用三維有限元模型，原點O位于0號肋位，X軸向船首為正方向，Y軸向左舷為正方向，Z軸向上為正方向。全船有限元模型如圖2所示。

模型范圍選取整船模型，船體的船底板、甲板板、艙壁板用板單元模擬，桁材、骨材和螺栓用梁單元模擬，其中螺栓用直徑為42 mm的實心圓柱體模擬。艙段有限元模型共使用了31 052個單元，節點數共計21 630個。螺栓模型如圖3所示。

模型材料:彈性模量E=2.06×105MPa;密度7 850 kg/m3;泊松比0.3。

圖2 全船有限元模型

圖3 連接螺栓有限元模型(局部放大)

2.2 邊界條件

模型的兩端(簡稱A端和B端)均需約束，詳細邊界條件見表1。由于船體兩端本身是自由的，加約束后的計算偏安全。

表1 邊界條件

2.3 計算工況及載荷

螺栓布置見圖4，螺栓起聯接6個箱式片體的作用。圖4側視圖中甲板處的圓圈和俯視圖中模塊之間的方塊代表螺栓布置的位置。若外載荷重心沒有偏離該片船體中心，由于每片箱體重心、浮心重合，結構對稱，因此各艙空艙且不加外載(垃圾)的情況下，螺栓不受力。在加載工況下，由于單片船體重心、浮心不重合，會引起螺栓受拉壓或剪切作用。

圖4 35 m躉船螺栓布置圖

本船的計算工況有2種:第1種為空載停泊，第2種為滿載停泊。空載情況下視為螺栓不受力，因此只需校核第2種工況。根據穩性計算書，載荷包括以下幾種:

(1)舷外水壓力

舷外水壓力沿型深方向分布，本船滿載工況下型深為1.1 m，水壓力P大小:

式中:P為水壓力，Pa;h為水深，m;ρ為水的密度，ρ=1.0×103kg/m3;g為重力加速度，g=9.81 m/s2。

(2)固定壓載(90 t)

固定壓載均勻分布于中部兩浮箱底部，浮箱長11.5 m，總寬度8.5 m，所以均布載荷大小:

式中:q1為固定壓載均布載荷，Pa;M1為固定壓載的重量，M1=9×104kg;

A1為浮箱的底面積，A1=97.75 m2。q1載荷垂直向下，均勻作用于中間兩浮箱底部。

(3)貨物載荷(110 t)

貨物載荷均勻分布于槽型傳輸裝置內，槽型傳輸帶寬度值取型寬8.5 m，長度2 m。貨物均布載荷大小:

式中:q2為貨物載荷大小，Pa;M2為固定壓載的重量，M2=1.1×105kg;A2為槽型傳輸裝置的底面積，A2=17 m2。q2載荷垂直向下，均勻作用于甲板上部分的槽型傳輸裝置。

q2=63 476.5 Pa

3 許用應力

(1)許用正應力:根據《機械設計手冊》第4版第2卷，螺栓抗拉許用應力[σ]，鋼的屈服極限取σS=235 MPa，安全系數n=1.7，得:

(2)許用切應力:由《機械設計手冊》第4版第2卷，螺栓受靜載剪力時，安全系數n=2.5。許用剪切應力[τ]為:

(3)作用擠壓應力:由《機械設計手冊》第4版第2卷，對螺栓受擠壓應力，材料為鋼，靜載時安全系數n=1.25。得:

4 結果分析

4.1 結構應力結果

經過有限元軟件強度評估分析，螺栓最大擠壓應力為185 MPa，最大正應力為116 MPa，最大剪切應力為35.6 MPa，可得出結論:全船連接螺栓強度滿足《機械設計手冊》第4版第2卷的相關強度要求。由于本模型兩端均采用剛性固定，評估結果偏安全。

4.2 結構應力結果分析

(1)在該貨物載荷作用下，片體的縱向連接螺栓所受的應力較大，橫向連接螺栓所受應力較小。

(2)與螺栓相連接的船體部分的應力明顯集中，并向周圍擴散。

5 結論

通過對35 m躉船螺栓強度分析，得到該船螺栓強度均滿足規范要求。在貨物載荷作用下，片體縱向連接螺栓所受的應力較大，橫向連接螺栓所受應力較小，與螺栓相連接的船體部分的應力明顯集中。由此可見，在進行類似船舶設計時，可適當增加縱向連接螺栓尺寸和數目，而減小橫向連接螺栓尺寸，與螺栓相連接的船體部分可采取相應的加強措施。

[1] 苗現華.新型河道清理船的設計[J].江西科學，2013，31(2): 225－226，231.

[2] 丁麗佳，劉鑫，趙岳，等.遙控水面垃圾自動清理船[J].科技信息，2009，(11):504－505.