1 500 DWT散裝水泥躉船全船結構強度有限元計算研究

2016-03-18 10:18:38盧永全徐得志任晉宇

造船技術 2016年1期

關鍵詞：有限元結構模型

盧永全，徐得志，任晉宇

(武漢交通職業學院，湖北武漢 430065)

1 500 DWT散裝水泥躉船全船結構強度有限元計算研究

盧永全，徐得志，任晉宇

(武漢交通職業學院，湖北武漢 430065)

摘要該文首先依據原1 700 dwt駁船的結構形式，按照《鋼質內河船舶建造規范(2012)》的要求，重新設計改造成1 500 dwt散裝水泥轉運躉船并確定各構件的尺寸。然后使用MSC.Patran軟件建立全船有限元模型，按照新設計的尺寸賦單元屬性，按照不同工況下載荷組合不利的原則施加載荷，使用MSC.Nastran軟件進行屈服強度分析，計算得到了該船典型工況下的應力分布及變形響應情況。結果表明，采用全船結構強度直接計算的方法是可行、可靠的。

關鍵詞1 500 dwt散裝水泥躉船有限元計算結構強度

The Finite Element Calculation on Structural Strength of 1 500 DWT Bulk Cement Carrier

LU Yong-quan, XU De-zhi, REN Jin-yu

(Wuhan Technical College of Communications, Wuhan Hubei 430065, China)

AbstractIn accordance with Rules for Construction of Inland Steel Ships 2012, the 1 700 dwt barge is redesigned and transformed into a 1 500 dwt bulk cement carrier, then sizes of the components are determined. The finite element model of the whole ship structure is established by MSC.Patran. The element property is set up with the redesigned size. Base on the most dangerous load combination in different operating conditions, the load is applied. The yield strength is analyzed by MSC.Patran. Then the stress distributions and deformation responses in typical operating condition are calculated. The result shows that the method of direct calculation on whole ship structure is feasible and reliable.

Keywords 1 500 dwt bulk cement carrierThe finite element calculation

The structural strength

0引言

隨著長江黃金水道建設及內河標準化船型的日益推進，內河老舊船舶的改造利用也越來越受到人們的重視。本文選取一艘由1 700 dwt散裝水泥駁船(原船)改造而成的內河1 500 dwt散裝水泥轉運躉船為研究對象，按照《鋼質內河船舶建造規范(2012)》(后簡稱《內規》)要求，重新設計各構件的尺寸。然后使用MSC.Patran軟件建立全船有限元模型，按照新設計的尺寸賦單元屬性，按照不同工況下載荷組合不利的原則施加載荷[1]，使用MSC.Nastran軟件進行屈服強度分析。

1船體模型

1.1主要參數及結構型式

全船主尺度及主要參數如表1所示。

表1　全船主尺度及主要參數

結構型式：1 500 dwt散裝水泥躉船，貨艙區域為雙殼、雙層底，船主甲板除艏艉是橫骨架外，其它為縱骨架。本船的載貨甲板為特殊的流化床結構，且頂蓬甲板前艙范圍內有較強的局部載荷式結構。

1.2有限元模型

在本船尺度比中，L/D = 20 <35.0， B/D= 3.77 <7.0，滿足CCS《鋼質內河船舶建造規范(2012)》第1篇第12章12.1.2.1關于躉船尺度比的要求。本文建立全船結構的三維有限元模型不僅包括貨艙區和艏艉段結構的所有有效縱向受力構件：外底板、主甲板、載貨甲板、頂棚甲板、底縱桁、甲板板、甲板縱桁、舷側外板、內舷板、舷側縱桁及中縱桁等，還包括槽型橫艙壁、實肋板、舷側肋板和甲板強橫梁組成的強框架等主要橫向結構，除此主船體結構還包括上層建筑結構。模型中按照設計圖紙的要求考慮諸如板縫、肘板、開孔、圓弧倒腳和連接等構造細節[2]。

全船結構三維有限元模型如圖1所示。取右手直角坐標系；原點取在Fr0(即0站)中縱剖面基線處；x即沿船長方向，向艏為正；y即沿橫向，向左舷為正；z即沿垂向，向上為正。

圖1　全船模型

全船三維有限元模型共有86 035個節點，127 541個單元，其中包括四邊形(Quad)單元89 477個，三角形(Tri)單元3 054個,梁單元(bar)單元35 010個,模型計算的自由度約為464 108。鋼材密度ρ=7.85×10-9t/mm3；楊氏模量E=2.06×105MPa；Poisson比ν=0.3。

2計算工況及邊界條件

2.1計算工況

本船由裝船系統的管道通過控制室實現散裝水泥貨物的裝卸，基本可以避免隔艙裝載的情況。因此計算中考慮了滿載、半載和空載三種裝載狀態。根據設計方提供的重量分布數據，由ZCMT程序(外力計算程序)計算得到三種載況下的靜吃水分別為2.60 m、1.74 m和0.88 m。按照長江A級航區計算舷外水壓力，由于本船頂蓬甲板沒有貨艙艙口，計算僅考慮半波高為1.25 m的迎浪中拱和迎浪中垂兩種舷外水條件。用ZCMT程序計算各載況下的靜水彎矩，并按照《內規》計算中拱和中垂的波浪附加彎矩，考慮載荷不利的組合4種計算工況，如表2所示。

表2　計算工況說明

注：Ms1為滿載(2.6 m)靜水彎矩；Mw(-)為中垂波浪附加彎矩；Mw(+)為中拱波浪附加彎矩；Ms2為半載(1.74 m)靜水彎矩；Ms3為空載(0.88 m)靜水彎矩。

2.2邊界條件

在全船結構的有限元直接計算中，選取合理的邊界約束條件對其計算結果的真實性與可靠性起著關鍵作用。船舶在航行過程中并無約束，因此直接計算對其進行靜力分析時，必須施加約束以消除其剛體位移。對于全船計算，常見的約束方式有支座和慣性釋放[3]。本文選取采用慣性釋放的方法處理邊界條件,用結構的慣性(質量)力來平衡外力,去掉支座,消除約束點的反力對變形和應力狀態的影響,以便得到更加合理和符合實際情況的計算結果,從而對船舶結構的強度進行更加合理的分析與評估[4]。

3載荷計算與加載

3.1空船載荷

根據提供的空船質量數據，得到20個理論站距上空船質量的分布，將它們分別近似地攤到各站距中主要橫向構件的節點上，以集中力的形式施加到模型上[5]，如表3所示。

表3　空船重量加載

3.2貨物壓載[6]

本船滿載時每艙載運500 t水泥貨物，半載時每艙載運250 t水泥貨物。圖2、圖3為滿載和半載時貨物壓力等值云圖。

圖2　滿載時載貨甲板壓力等值圖

圖3　半載時載貨甲板壓力等值圖

3.3舷外水壓力[7]

以等效設計波的概念處理波浪，按照A級航區(半波高1.25 m)的波浪參數，分別考慮了迎浪中拱、迎浪中垂等兩種舷外水條件。計算中假設波浪為理想余弦波，波長等于船長(此時應力結果偏于危險)。

滿載波浪中垂(工況1)、半載波浪中拱(工況2)、半載波浪中垂(工況3)以及空載波浪中拱(工況4)工況下模型中施加的舷外水壓力分別如圖4～圖7所示。

圖4　滿載、波浪中垂(工況1)的舷外水壓力

圖5　半載、波浪中拱(工況2)的舷外水壓力

圖6　半載、波浪中垂(工況3)的舷外水壓力

圖7　空載、波浪中拱(工況4)的舷外水壓力

3.4裝船系統的質量

模型范圍內有改造設計中新增的大托架和裝船系統。托架質量計入空船質量以慣性力的方式自動施加。裝船系統的質量：由于本次計算考慮的是本船在波浪中的航行(非裝卸作業)狀態，計算中僅考慮裝船系統的靜載。轉運儲罐靜載40×8=320 kN，旋轉機重力225 kN、傾覆力290 kN，并不嚴格對稱。計算中僅考慮轉運儲罐一側的重力載荷。

模型中施加的裝船系統質量如圖8所示。

3.5平衡調整

由于三維有限元模型的簡化，以及數值計算所產生的誤差，手工的計算與施加載荷不能保證所加的質量載荷與舷外水壓力達到精確的平衡。因此對所有的外載荷全部施加完成之后，需對該船舷外水壓力進行調整[8]。即調整靜水及波浪條件下的平均吃水，使得整個模型中所施加的重力與浮力基本平衡。