應用ANSYS進行集裝箱船導軌架預埋胎架的變形分析

謝立榮，張 浩

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

1 前言

20 000TEU集裝箱船是上海外高橋造船有限公司承接的超大型集裝箱船新項目。該船作為國內在建超大型集裝箱船，在首制船建造過程中不可控因素和未知的問題較多。為了保證建造質量及建造周期，首先要確保項目能按既定的計劃進行；其次對各項安全措施能夠得到有效落實。該船在建造過程中設計了各種多用途工裝，尤其在集裝箱導軌建造過程中，設計了專用建造工裝——導軌架預埋胎架。

該船橫隔艙雙面均安裝有導軌，為了方便分段建造及減少翻身吊裝次數，專門設計了導軌架預埋胎架。與以往使用的胎架不同，導軌架預埋胎架使用與分段接觸的槽鋼用以支撐，由于安裝及精度測量需求，槽鋼胎架具有相當的高度。

有限元法是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數值方法。求解時對整個區域進行分解，每個子區域稱作有限元。它通過變分方法，使誤差函數達到最小值并產生穩定解。有限元法將許多被稱為有限元的小區域上的簡單方程聯系起來，并用其估計更大區域上的復雜方程，對每一單元假定一個較簡單的近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件（如結構的平衡條件）從而得到問題的解。

本文針對導軌架預埋胎架的變形原因進行分析，并對部分胎架進行有限元靜力學分析，將理論和實際結合進行對比。

2 導軌架及預埋胎架

集裝箱船箱格導軌架（簡稱導軌架）可以設置在艙內，也可能設置在露天甲板以上（一般很少采用）。在中大型集裝箱船上，艙內堆放箱的層數可達6～8層，采用導軌架可以把集裝箱成堆的放入導軌架內，不需要緊固設備，也不需要綁扎和支撐。導軌架一般是永久性的固定在貨艙內，對集裝箱吊入吊出都十分方便，可以縮短集裝箱裝卸時間，提高裝卸效率[1]。

導軌架安裝于橫隔艙分段上，為提高分段制作效率﹑減少翻身吊裝次數，該船專門設計了導軌架預埋胎架，如圖1所示。

圖1 導軌架預埋胎架

胎架主體使用20#槽鋼，材料為Q235-A。由于胎架有1.3 m的高度，所以增加斜撐用以增加剛度。

3 預埋胎架變形原因分析

預埋胎架作為船體分段裝配的工裝設備，與船體表面接觸進行支撐。導軌架大部分集中在橫隔艙分段，一半在分段裝配之前進行預埋定位。

橫隔艙分段結構理論上是平直的，但若因此認定分段作用于胎架上的力是均布的面載荷則會與實際情況不符。因分段與胎架接觸的板是由多張板拼接而成，中間有多條拼板縫會造成不完全平直；且板經過拼接后會產生變形也并非是完全平直的，從而造成胎架受力不均產生變形。拼板的一般變形類型，如圖2所示。

圖2 拼板一般變形類型示意圖

由于分段重量較大且伴隨板的自身變形，造成胎架表面受力并不完全均勻，同時存在少量胎架跨距過長，因而造成了胎架的實際變形。

4 有限元模型建立與計算分析[2][3][4]

對胎架最易變形的部分進行有限元靜力學分析，所選取的胎架由三根立柱組成兩跨，胎架面板位置不與其他結構連接，跨距分別為3 070 mm和2 592 mm，兩邊立柱設有斜撐（見圖3）。具體分析步驟如下。

（1）建立實體模型

利用Solidworks建立實體模型，如圖3所示。

圖 3 胎架模型

（2）劃分網格及添加約束條件

將模型導入Ansys Workbench，進行網格劃分并添加約束。計算使用的單元類型由workbench自動選取。由于結構并不復雜，將模型選用精網格進行自動網格劃分，節點共42 704個﹑單元共19 958個。對三根立柱及斜撐底部共5個面進行全約束；

（3）施加載荷及求解

按分段約200 t計算重量并考慮胎架組成，對將要施加的載荷進行估算（按胎架表面面積平均分配載荷）。對如圖4中的AB段（較長一段）施加14 100 N載荷，方向向下；對BE段（較短一段）施加12 000 N載荷，方向向下。載荷具體分布情況，取2種情況進行分析：

① 面載荷完全均布在胎架槽鋼表面。

根據求解結果，應變（位移變形）圖形如圖4所示。

圖4 總應變圖一

由圖4可知，最大應變出現在AB段中間，變形為4.73 mm；BE段中間變形較小，不大于2 mm。由此可見，即使載荷完全均布情況下，變形量也超過精度要求±3 mm；

② 將AB段載荷集中在中間部分，分布長度大約為AB段長度的1/3，BE段則均布。

根據求解結果，應變（位移變形）圖形如圖5所示。

圖5 總應變圖二

由圖5可知，最大應變出現在AB段中間，變形為8.84 mm；BE段中間變形較小，不大于2 mm。此計算結果（包括載荷分布和變形結果）與實際情況較為接近，實際最大變形約為9 mm，故可以認為所作分析是合理的。

5 模型改進及計算

由于現場胎架實際變形超過要求，故針對變形的一段槽鋼在中間位置增加一根支撐，重新進行有限元分析，步驟同前：

（1）建立實體模型

建立實體模型，如圖6所示。

圖6 胎架改進模型

（2）劃分網格及添加約束條件

導入模型并進行網格劃分，節點共47 117個﹑單元共22 036個。將四根立柱及斜撐底部共6個面進行全約束；

（3）施加載荷及求解

載荷大小與分布情況與上述相同。根據求解結果，應變（位移變形）圖形，如圖7。

圖7 總應變圖三

由圖7可知，中間增加立柱后胎架幾乎沒有變形了。對于胎架其他跨段，因尚未出現變形嚴重情況，暫不進行分析。

6 結語

利用Ansys﹑Solidworks軟件對現場胎架變形進行有限元靜力學分析。基于現場實際環境，通過理論分析對施加的外載荷大小和分布作了假設，同時經過模擬計算與實際變形結果對比，得出最終計算結果與實際情況較為符合，可認為模擬計算結果有效；在此基礎上進行改進分析，確認增加立柱是有效的改進方法；模擬仿真計算手段，不僅可以在設計階段進行設計優化，也可在生產施工階段進行分析計算，能有效幫助驗證及改進施工方式。