海巡163輪錨鏈絞車下支撐船體結(jié)構(gòu)加強和強度計算

楊敬東，何瑞峰，劉文彬

(重慶交通大學 航運與船舶工程學院，重慶 400074)

0 引 言

海巡163輪為航行于近海航區(qū)的大型海巡船，在運營中主要承擔海事巡邏、海事救援和航標維護等任務(wù)，其航區(qū)海況復(fù)雜。本船服役年限較長，船上設(shè)備已不能滿足新環(huán)境下的使用要求，部分船體結(jié)構(gòu)也很難滿足最新規(guī)范相應(yīng)條款，因此使用單位對本船啟動了大型的改造工程。該工程主要對船舶的舾裝、輪機及電氣設(shè)備進行更換和增設(shè)，對甲板室和駕駛室進行調(diào)整和改造，及對其他局部區(qū)域進行結(jié)構(gòu)加強。在舾裝設(shè)備的更換中，重大改造之一為將位于FR84位置的沉石絞盤更換為臥式液壓錨鏈絞車。絞車在排鏈作業(yè)中，其支撐結(jié)構(gòu)會承受較大的載荷，極易造成結(jié)構(gòu)破壞，因此需要對絞車下支撐船體結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)加強，并依據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》[1]及《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》[2](以下簡稱《規(guī)范》)相關(guān)要求對該區(qū)域結(jié)構(gòu)建立有限元模型，校核支撐結(jié)構(gòu)的局部強度，提高結(jié)構(gòu)安全性和可靠性。

1 甲板結(jié)構(gòu)局部加強

1.1 結(jié)構(gòu)加強原則

錨鏈絞車在進行排鏈作業(yè)時，其載荷主要通過絞車支座腳傳遞到甲板和甲板下的骨材及艙壁結(jié)構(gòu)上[3]，支座腳連接塊區(qū)域的甲板及其支撐結(jié)構(gòu)所受到的載荷會較大，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，該區(qū)域支撐結(jié)構(gòu)加強是本次結(jié)構(gòu)加強工作中重點考慮的區(qū)域之一。一般地，在船舶甲板支撐結(jié)構(gòu)的局部加強過程中，需要考慮以下幾點[4-8]：

1)加強的結(jié)構(gòu)與甲板主結(jié)構(gòu)形式盡量保證基本一致。

2)增設(shè)短縱桁、短橫梁等T型材結(jié)構(gòu)，需要考慮現(xiàn)場的施工，應(yīng)極力避免因施工空間不足等原因引起的無法焊接的情況。

3)加強范圍不宜過小，一般橫向范圍應(yīng)加強至加強域最近的桁材或者艙壁，縱向范圍加強類似。

4)為了保證力的有效傳遞，避免應(yīng)力集中的問題，在增設(shè)構(gòu)件時，強構(gòu)件與艙壁連接應(yīng)該采用過渡連接或者肘板連接；加強時使用較大的T型來替換原來的小規(guī)格骨材，兩端相連處用肘板削斜焊接；橫梁與新加縱桁連接處相應(yīng)加肘板連接。

1.2 結(jié)構(gòu)加強方案

根據(jù)甲板結(jié)構(gòu)局部加強的原則，對海巡163輪錨鏈絞車下的支撐結(jié)構(gòu)進行加強研究。為了保證絞車受到的載荷能有效的傳遞到絞車下的支撐結(jié)構(gòu)上，設(shè)計中通過在矩形支座腳的四邊上增設(shè)肘板解決該問題，其連接形式如圖1(a)。同時，為了確保主甲板的結(jié)構(gòu)強度，降低板焊接變形的影響[9]，設(shè)計中在絞車安裝區(qū)域的主甲板上焊接了12 mm厚的覆板，覆板通過沿著每一覆蓋肋位橫向設(shè)置塞焊孔焊接到原甲板上。覆板開塞孔示意如圖1(b)。

圖1 支撐結(jié)構(gòu)加強示意Fig. 1 Schematic diagram of supporting structure reinforcement

本船絞車下甲板支撐結(jié)構(gòu)的加強設(shè)計主要通過增設(shè)交叉橫梁和短縱桁進行加強。由于絞車下支撐結(jié)構(gòu)的主要受力部位集中于支座腳附近區(qū)域，因此結(jié)構(gòu)加強方案設(shè)計中可以在支座腳下增設(shè)橫向和縱向加強構(gòu)件，同時為了保證力的有效傳遞，還需要適當增設(shè)輔助加強構(gòu)件。本船共有6個支座腳，在原有支撐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，共增設(shè)了6條短縱桁和3條短強梁，其中，短縱桁1至短縱桁5、短強梁2和短強梁3主要增設(shè)在支座腳與甲板連接區(qū)域下方，短縱桁6和短強梁1主要為了保證強構(gòu)件力的有效傳遞而增設(shè)的輔助加強結(jié)構(gòu)。本加強方案中，所有增設(shè)加強構(gòu)件的增設(shè)范圍加強至強構(gòu)件或者艙壁處，構(gòu)件尺寸與該區(qū)域原構(gòu)件中的強構(gòu)件尺寸一致，甲板結(jié)構(gòu)局部加強如圖2。

圖2 甲板結(jié)構(gòu)局部加強Fig. 2 Local strengthening of deck structure

在本船增設(shè)短縱桁和短強梁過程中，為了確保新增構(gòu)件焊接的施工空間，需要保證新增構(gòu)件與原構(gòu)件之間的間距。對于新增的短縱桁4，如果直接在支座腳下方進行構(gòu)件的加強會出現(xiàn)強構(gòu)件間距過小的現(xiàn)象，從而造成施工困難。對于這種情況，可以通過減小縱桁腹板高度和面板寬度并同時增加板厚，或者保持結(jié)構(gòu)尺寸不變適當向外調(diào)整縱桁位置。本加強方案中采用后者方法。短縱桁4在原支座腳位置的基礎(chǔ)上向外移動220 mm，調(diào)整后新增短縱桁與原縱桁間距為390 mm，滿足施工的空間要求。此外，為了確保加強結(jié)構(gòu)能有效傳遞所受到的外力，加強區(qū)域新增短縱桁與橫艙壁采用過渡方式連接(圖3)，新增縱桁與普通橫梁采用肘板連接。

圖3 新增縱桁與艙壁連接Fig. 3 Newly increased girder and bulkhead connection

2 有限元計算模型

2.1 模型范圍

為了確保設(shè)計的結(jié)構(gòu)加強方案合理可行，需要對加強后的絞車支撐結(jié)構(gòu)強度進行強度校核，保證計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。有限元計算方法是船舶結(jié)構(gòu)強度校核中常見的校核方法，已廣泛應(yīng)用于船舶的多個研究方向[10-11]。本船有限元計算模型采用右手坐標系，X軸以船首為正方向，Y軸以左舷為正方向，Z軸以向上為正方向。根據(jù)《規(guī)范》，模型縱向范圍取FR80～FR88，橫向范圍取整個船寬，垂向范圍為主甲板取至下一層甲板平臺。模型包括甲板、甲板下強橫梁、甲板縱桁、普通橫梁和艙壁。所有甲板板、艙壁板、肘板及其強構(gòu)件腹板以板殼單元來模擬，所有普通橫梁、艙壁扶強材及強構(gòu)件面板以梁單元模擬。模型中，絞車安裝區(qū)域采用細網(wǎng)格劃分，其他區(qū)域采用粗網(wǎng)格劃分，建立的有限元模型如圖4。

本模型應(yīng)力單位為N/mm2，位移單位為mm。

圖4 有限元計算模型Fig. 4 Finite element calculation model

2.2 邊界條件與許用應(yīng)力

根據(jù)《規(guī)范》，計算模型的邊界約束條件按表1進行施加。

表1 模型邊界約束條件Table 1 Model boundary constraints

本船結(jié)構(gòu)材料均采用普通船用鋼材，材料屬性的彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，密度為7.85×10-9t/mm3，屈服強度ReH為235 N/mm2。根據(jù)《規(guī)范》要求，許用應(yīng)力按強力甲板考慮，普通鋼材的安全系數(shù)取1，則構(gòu)件許用應(yīng)力按表2選取。

表2 構(gòu)件許用應(yīng)力Table 2 Allowable stress of components

3 計算載荷及工況

按《規(guī)范》要求，本船絞車需要校核甲板右舷上浪(工況1)、左舷上浪(工況2)、絞車受錨鏈45%破斷力(工況3)和摯鏈器受80%破斷力(工況4)4種工況下支撐結(jié)構(gòu)的強度。

3.1 甲板上浪工況及載荷

參照《規(guī)范》船首甲板錨機固定的強度計算要求，甲板上浪時，作用在絞車上的壓力和計算面積可按下述計算：

1)X方向上由船艏向后的方向上的壓力為200 kN/m2乘以該方向上的投影面積。

2)Y方向上作用于舷內(nèi)和舷外側(cè)的壓力為150 kN/m2乘以f倍方向上的投影面積，定義如：

f=1+B/H(f≤2.5)

(1)

式中：B為平行于軸線的絞車計算寬度，m；H為絞車最大高度，m。

本船f=1+2.00/2.23=1.897，則絞車右舷上浪載荷計算如：

(2)

式中：Sx為錨鏈絞車在X方向的投影面積，m2；Sy為錨鏈絞車在Y方向的投影面積，m2。

經(jīng)計算得，左舷上浪載荷Px=976.000 kN，Py=-979.706 kN。

本船絞車與甲板的連接是通過支座腳及其肘板直接焊接到甲板上，絞車和摯鏈器重量在每個支座腳上分布如圖5，以集中力的形式加載到對應(yīng)的節(jié)點上。甲板上浪載荷對甲板支撐結(jié)構(gòu)的作用采用兩種加載方式[10]進行計算比較。

3.1.1 加載方式1

參照《規(guī)范》3.2.5.5將力分解至各個螺栓組的方法，將上浪載荷分別施加于各個支座腳處，對每一支座腳連接區(qū)域建立剛性域，把上浪載荷施加在主節(jié)點上。作用在第i個支座腳上的軸向力可按式(3)計算。

(3)

圖5 絞車重量分布Fig. 5 Winch weight distribution

3.1.2 加載方式2

甲板上浪載荷也可以采用MPC方式進行加載，如圖6，以絞車載荷作用點為主節(jié)點，與甲板連接的支座腳節(jié)點為從節(jié)點建立剛性域，直接將上浪載荷以集中力的形式施加于主節(jié)點上。為了保證結(jié)構(gòu)可靠性，絞車載荷作用點，即主節(jié)點的位置取絞車滾輪的最高點，為絞車錨鏈輪中分線與錨鏈輪軸中心線交點處，其絞車的最高高度為2 090 mm，坐標為(2 600，0，2 090)，從節(jié)點取絞車支座腳與甲板相交處節(jié)點，絞車重量產(chǎn)生的力以集中力形式施加到支座腳處對應(yīng)的節(jié)點位置。

3.2 絞車受錨鏈45%破斷力工況

本船帶摯鏈器，按《規(guī)范》要求，支撐結(jié)構(gòu)強度校核時，需要計算45%錨鏈破斷負荷下的結(jié)構(gòu)強度。該船選用錨鏈最小破斷負荷為812 kN，則該工況下采用的計算載荷為365.4 kN。該工況下最大受力方向與X軸夾角為24°，將拉力F分解為水平分力Fx=333.81 kN和Fy=-148.622 kN。錨鏈破斷力采用MPC方式加載到作用點上，絞車重量作用力以集中力的形式加載到對應(yīng)的節(jié)點上。

圖6 MPC加載方式Fig. 6 Loading method of MPC

3.3 摯鏈器受80%破斷力工況

《規(guī)范》還要求校核摯鏈器受80%破斷力工況。海巡163輪錨鏈最小破斷力的80%為649.60 kN。該工況下最大受力方向與Y軸夾角為2°，將拉力F分解為水平分力Fx=22.671 kN和Fy=649.204 kN。破斷力采用MPC方式加載到作用點上，絞車重量作用力施加方法同上。

4 計算結(jié)果及分析

根據(jù)對絞車下甲板支撐結(jié)構(gòu)建立的有限元模型，按照《規(guī)范》要求的4種載荷工況進行有限元強度計算。計算結(jié)果表明，經(jīng)結(jié)構(gòu)加強后海巡163輪絞車作業(yè)時大應(yīng)力區(qū)域發(fā)生在支座腳下的橫梁和縱桁結(jié)構(gòu)上。甲板板最大相當應(yīng)力為72.0 N/mm2，發(fā)生在加載方式2對應(yīng)的工況2下的支座腳1下的甲板上。甲板下支撐結(jié)構(gòu)在工況1與工況2下兩種加載方式的計算結(jié)果見表3。加載方式1對應(yīng)工況1與工況2的應(yīng)力分布云圖見圖7。加載方式2對應(yīng)的工況1與工況2的應(yīng)力分布云圖見圖8。

從圖7、圖8可以看出，加載方式2相對于加載方式1應(yīng)力計算結(jié)果偏大，其主要原因為MPC加載方式容易造成載荷分布集中的情況，從而造成局部應(yīng)力過大的現(xiàn)象。基于MPC加載方式的應(yīng)力計算校核的結(jié)構(gòu)安全性更高，因為甲板上的絞車受到的載荷會有一些不確定因素，基于加載方式1的計算應(yīng)力分布均勻，計算值更趨于合理。

圖7 加載方式1相當應(yīng)力云圖Fig. 7 Loading mode 1 equivalent stress nephogram

圖8 加載方式2相當應(yīng)力云圖Fig. 8 Loading mode 2 equivalent stress nephogram

工況3、工況4計算結(jié)果見表5，應(yīng)力分布云圖見圖9。工況3下支撐結(jié)構(gòu)受力較小，其最大受力變形主要由摯鏈器重量對支撐結(jié)構(gòu)造成。工況4下最大受力變形區(qū)域主要發(fā)生在摯鏈器區(qū)域下的短縱桁及其普通橫梁上，在以后該區(qū)域的結(jié)構(gòu)加強工作中可適當加大加強結(jié)構(gòu)的尺寸。

表5 工況3與工況4計算結(jié)果Table 5 Calculation results of case 3 and case 4 N·mm-2

圖9 工況3和工況4相當應(yīng)力云圖Fig. 9 Case 3 and case 4 equivalent stress nephogram

5 結(jié) 語

依據(jù)錨鏈絞車的排鏈作業(yè)時的受力特點及其甲板結(jié)構(gòu)局部加強原則，對海巡163輪絞車下支撐結(jié)結(jié)構(gòu)進行局部加強，考慮海巡163輪已經(jīng)使用較長時間，船體構(gòu)件有折損，所以加強時基于偏安全考慮加強。在加強后的絞車支撐結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，依據(jù)CCS相應(yīng)規(guī)范，采用Patran & Nastran對該部分結(jié)構(gòu)建立有限元模型校核其局部強度，并從兩種加載方式的角度去考慮其應(yīng)力狀態(tài)。從結(jié)構(gòu)加強設(shè)計及校核可得到以下結(jié)論：

1)計算結(jié)果表明，錨鏈絞車作業(yè)中其支撐結(jié)構(gòu)板單元的最大相當應(yīng)力為195 N/mm2，梁單元的最大正應(yīng)力為198 N/mm2，最大剪應(yīng)力99.1 N/mm2，滿足《規(guī)范》要求，說明絞車下甲板支撐結(jié)構(gòu)的加強方案合理可行。

2)對上浪載荷的兩種不同加載方式的對比結(jié)果可以看出，加載方式2的計算結(jié)果相對于加載方式1偏大，應(yīng)力分布偏于集中。在實際運用中，建議采用加載方式1，當結(jié)構(gòu)偏安全考慮時，建議采用加載方式2。

3)對于重量載荷施加方式，當絞車重量在每一個節(jié)點的分布明確時，可按集中力方式施加到對應(yīng)節(jié)點上；當分布不明確時，可采用MPC方式施加重量載荷。