系泊設備加強結構有限元分析

杜璽　王少華　劉仕蓮　黃國強　郭文忠

摘? ? 要：船舶在系泊作業時，受外部氣候條件風、浪、涌等影響，受到的外力是相當復雜的。通過有限元法對系泊設備加強結構進行強度分析，可確定結構布置和構件尺寸。本文按照中國船級社（CCS）《鋼質海船入級規范》有限元分析計算方法，借助PATRAN有限元分析軟件，分析了系泊設備加強結構的強度。通過分析，確定了滿足結構強度要求的方案，得出了系泊設備加強結構布置的一般規律。

關鍵詞：系泊;結構加強;有限元分析

中圖分類號：U663.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： In the ship mooring operation， the external force of the mooring equipment is usually complicated by the influence of wind， wave and surge. The structural arrangement and component size can be determined by analyzing the strength of supporting hull structure of mooring equipment by finite element method. This paper analyzes the strength of supporting hull structure of mooring equipment by means of PATRAN finite element analysis software according to the finite element analysis and calculation method of CCS Rules for Classification of Sea-Going Steel Ships. By analyzing and determining the scheme to meet the structural strength requirements of the CCS rules， the general law of supporting hull structure arrangement of mooring equipment is obtained.

Key words： Mooring; Supporting hull structure; Finite element analysis

1? ? ?前言

有限元分析法計算精確度高，且適用于復雜形狀的結構，其應用領域在迅速擴大，已成為行之有效的工程分析手段，幫助處理復雜的工程設計問題。

船舶在設計建造過程中，往往會遇到以下問題：

（1）設備支撐結構的強度不夠，導致局部區域振動過大;

（2）需控制材料規格，避免船體結構重量超過預期;

（3）船東對高應力區域結構強度提出質疑。

針對上述情況，我們在某船設計中運用PATRAN軟件，對系泊設備加強結構進行強度分析，得出核算區域甲板、加強結構的應力分布和變形情況，優化結構設計方案，最終得到滿足規范要求的設計方案。

2? ? CCS《鋼規》對有限元分析的建模要求

CCS《鋼規》中明確了有限元分析的負荷模型范圍、邊界條件、單元設置及網格劃分等選取要求。

2.1? ?負荷要求

按照常規船舶的布置要求，系泊設備應位于甲板或平臺結構骨架上，通過橫梁、縱梁等骨材傳遞系泊負荷。系泊設備及船體加強結構的設計負荷，應為《鋼規》中舾裝數N對應的系索破斷強度的1.25倍。

2.2? ?模型范圍

運用PATRAN軟件建立局部結構模型，模型范圍為：以系泊設備布置區域的有效作用平面為中心，在船長和船寬方向分別擴展至少一倍的距離;平面總建模區域為系泊設備作用平面的三倍;高度方向從系泊設備作用平面擴展至該平面以下的連續平臺結構，若范圍過大則最少為船舶型深的四分之一;所建模型的前后邊界應跨過一檔強結構，若邊界未達到船體的強結構處，模型范圍應適當延伸。

2.3? ?邊界條件

運用PATRAN軟件建立局部結構模型，邊界條件在模型的端部，可以采用自由支持或者剛性固定。為了使計算結果不受邊界條件的影響，一般將模型的范圍適當擴大，減少因模型范圍選取不當而產生對計算結果的影響。

2.4? ?單元選取

運用PATRAN軟件建立局部結構模型，應合理選取建模單元。其中，船體的主體結構板架及強框架采用4點板單元模擬;一般框架、骨材和加強筋等采用梁單元模擬;為減少單元選取對計算結果的影響，盡量不使用三角形單元。

2.5? ?網格劃分

運用PATRAN軟件建立局部結構模型，網格劃分應盡可能按照船體肋骨間距、縱骨橫向間距、縱骨垂向間距進行相應劃分;劃分時網格形狀要規則，盡量接近正方形，過渡要順緩;

船體結構強框架（強橫梁、縱桁等）在進行網格劃分時，其結構腹板在高度方向應≥3 個單元。

3? ? ?有限元模型的建立

本文選擇某船中主甲板一組系泊設備的加強結構作為有限元分析對象，運用PATRAN軟件建立局部結構模型，對上述系泊設備的加強結構進行強度分析，得出局部結構模型在設定工況下的應力大小和變形量。具體的各項參數選取要求如下：

3.1? ? 模型范圍

模型沿船長方向從尾部FR0向首至FR15處;沿船寬方向從左舷至船中;沿船垂向從船底至主甲板。

3.2? ?結構模擬

所建立的局部結構模型，其船體結構包括如甲板、外板等主體結構及橫梁、縱骨等一般結構。其中：甲板、外板、強橫梁腹板等主要構件均為4節點板單元，強橫梁面板、甲板縱骨等次要構件均為2節點梁單元。

3.3? ?模型坐標系

根據右手坐標系法則定義有限元模型坐標系方向：以船底型表面中心線與舵軸中心線交點為原點，縱向以船首為正、橫向以左為正、垂向以向上為正。

4? ? ?構件尺寸和材料

依據船體分段結構圖中的構件規格，作為有限元模型中采用的構件尺寸。

模型中構件材料的物理參數如下：

楊氏模量? ? ? ? E = 2.06 x 105 MPa

泊松比? ? ? ? ? ? μ = 0.3

密度? ? ? ? ? ? ? ? ρ = 7.85x10-9 t/mm3

5? ? 應力分析

根據《鋼規》要求，對一組帶纜樁、導纜孔下的加強結構進行強度分析：借助PARTAN有限元分析軟件，得出加強結構所受應力情況，將其與《鋼規》中要求的許用應力比較，若超出許用應力值，則對加強結構進行優化，以得到滿足要求的結果。

5.1? ?強度準則

根據《鋼規》規定，進行有限元分析時采用合成應力作為校核衡準。合成應力應不大于材料最小屈服點。本船采用的材料為CCS-A級鋼，其屈服極限為235 MPa。

5.2? ?計算結果

系泊設備位于舷側甲板結構橫梁上，按照設計負荷應為系索破斷強度1 617 kN的1.25倍，即設計負荷為2 021.25 kN。根據計算結果，在主甲板系泊處結構所產生的最大合成應力為346 MPa，超出許用應力235 MPa，不能滿足規范要求。

圖1為未增加結構加強前，主甲板系泊處結構合成應力情況。

由圖1可知：支撐結構產生的最大346 MPa合成應力位于系泊設備下方支撐縱骨及肘板上，表明系泊設備的工作負荷主要由設備下方支撐結構承擔。

為減少系泊設備下方支撐結構所受應力，將系泊設備下方的加強結構進行加密布置，每半檔增加加強結構。新增加強構件在設計時，一方面從結構形式考慮，盡可能與相鄰結構形式相似，方便構件間過渡連接;另一方面從構件尺寸考慮，其強度滿足規范即可，不宜增加過多，且構件規格盡可能少。為此，確定加強結構方案如下：系泊設備下方增加兩個厚度為t=10 mm、折邊為80 mm的肘板;帶纜樁下方增加四根規格為HP260*12的球扁鋼。圖2為增加加強結構后的結構示意圖。

6? ? 有效性分析

在增加加強結構后，得到主甲板下支撐結構處合成應力為221 MPa ，小于許用應力值，滿足規范要求。

圖3為增加加強結構后，主甲板下支撐結構合成應力圖。

7? ? ?結論

（1）系泊設備在原加強結構形式下，系泊處主甲板下支撐結構所受合成應力的最大值為346 MPa，超出許用應力值，不滿足規范要求;在增加加強結構后，主甲板下支撐結構所受合成應力的最大值為221 MPa小于許用應力235 MPa，滿足規范要求，新增加強結構設計合理;

（2）系泊設備負荷主要通過主甲板下支撐結構進行傳遞，對下支撐結構進行合理的加密處理，設置連接肘板、加強筋能夠有效地將系泊設備負荷傳遞到甲板、橫梁、縱骨等結構上;

（3）通過PARTAN有限元分析結果可以看出，本增加加強結構設計方案能夠有效地減少系泊處主甲板下支撐結構的應力集中，保證結構設計強度，可供在類似系泊設備結構加強中參考。

參考文獻

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