24.1米抓斗式挖砂船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

梁民杰+黃珂

摘 要：本文對(duì)某24.1米抓斗式挖砂船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，對(duì)該船提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)想，供此類船舶設(shè)計(jì)、建造及檢驗(yàn)時(shí)參考。

關(guān)鍵詞：抓斗式挖砂船 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 有限元分析

1.前言

為保證內(nèi)河船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》對(duì)內(nèi)河船舶的主尺度比值有相應(yīng)的規(guī)定，比如對(duì)抓斗式挖砂船要求船長(zhǎng)與型深的比值L/D≤25、船寬與型深的比值B/D≤7。但是某些抓斗式挖砂船受所在航區(qū)航道條件的限制，以及使用要求的限制，主尺度比值達(dá)不到上述要求，那么按規(guī)范要求就要對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

2.有限元分析

某24.1米抓斗式挖砂船主要數(shù)據(jù)如下：

總長(zhǎng)LOA=24.10m

水線長(zhǎng)LW=20.50m

型寬B=12.00m

總寬BOA=12.10m

型深D=1.54m

吃水d=0.94m

排水量Δ=221.10t

航區(qū)：B級(jí)

該船結(jié)構(gòu)型式為單底、單舷側(cè)、橫骨架式，其基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該船B/D=12/1.54=7.79，顯然不滿足規(guī)范主尺度比值的要求，所以要對(duì)該船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

通過(guò)MSC.PATRAN和MSC. NASTRAN有限元程序計(jì)算，得出全船應(yīng)力云圖如圖2所示，變形云圖如圖3所示。

計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形值匯總?cè)缟媳硭校?/p>

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出來(lái)，本船通過(guò)有限元計(jì)算，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力水平均滿足結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力要求，滿足規(guī)范要求。全船最大變形的僅16.7mm，相對(duì)于全船而言，結(jié)構(gòu)變形也可滿足要求。

3.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)想

從計(jì)算結(jié)果可以看到，該船除甲板縱桁的實(shí)際最大應(yīng)力相對(duì)較大外，其它板材、構(gòu)件的實(shí)際最大應(yīng)力是比較小的，遠(yuǎn)低于規(guī)范許用應(yīng)力。所以從降低建造成本方面考慮，該船有些板材、構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸是可以適當(dāng)減小的，當(dāng)然前提是必須滿足結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算。

例如該船船底板結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算如下：

按《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》§7.3.1.1和§10.3.1.2、§10.3.1.5，船中部船底板厚度t不小于下式計(jì)算之值：

α、β、γ——系數(shù)，按骨架型式由表7.3.1.1選取α=0.062；β=4.4；γ=0.2

n=-0.0005L+0.1282=-0.0005×20.5+0.1282=0.1505

該船船底板設(shè)計(jì)板厚為5mm，而結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算值為3.1mm，且通過(guò)有限元計(jì)算，得出船底板實(shí)際最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于規(guī)范許用應(yīng)力，所以筆者認(rèn)為該船船底板板厚減小為4mm，其強(qiáng)度也是可以滿足要求的。

4.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)有限元計(jì)算，該船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是滿足要求的，且該船還可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以降低建造成本。但是筆者認(rèn)為在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)應(yīng)慎重考慮，應(yīng)在結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算和有限元計(jì)算均滿足要求的情況下才能進(jìn)行優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

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