1000t級(jí)漁業(yè)輔助船集裝箱基座及支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

周林 黃渙青

摘? ? 要：本文對(duì)1000噸級(jí)漁業(yè)輔助船，應(yīng)用有限元方法對(duì)其甲板上集裝箱基座及其支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，建立了包括集裝箱基座、主甲板、舷側(cè)、艙壁、支柱及其附屬結(jié)構(gòu)的有限元模型。依據(jù)規(guī)范計(jì)算各工況下集裝箱受力，并將集裝箱支反力加載到模型上，根據(jù)得到的應(yīng)力水平對(duì)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：漁業(yè)輔助船;集裝箱基座;支撐結(jié)構(gòu);有限元方法

中圖分類號(hào)：U663.7? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper s analyses the strength of container foundation and supporting structure on the deck of a 1000-ton fishery auxiliary vessel by finite element method. The finite element model of container foundation， main deck， side， bulkhead， pillar and its subsidiary structure is established. The loads on the container under each working condition are calculated according to the relevant rules， and the reaction force of the container under each working condition is loaded onto the model， and the structure was optimized according to the stress level obtained.

Key words： Fishery auxiliary vessel; Container Foundation; Supporting structure; Finite element method

1? ? 引言

漁業(yè)輔助船主要用于漁船遠(yuǎn)洋作業(yè)時(shí)的物質(zhì)補(bǔ)給，并將漁船捕撈所得魚貨通過(guò)捕撈輔助船甲板上的冷藏集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)，提高漁船的捕撈效率;同時(shí)小型漁船在海上開展密集型的捕漁作業(yè)時(shí)，需要燃料、淡水、食品等補(bǔ)給也要依托漁業(yè)輔助船。

該船主甲板上設(shè)置一層20呎標(biāo)準(zhǔn)集裝箱和冷藏集裝箱，為保證集裝箱基座及其甲板下支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，采用有限元方法對(duì)集裝箱基座及其甲板下支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果和變形特點(diǎn)對(duì)其結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)今后類似船的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

2? ?本船概述

本船主要尺度：

本船滿載時(shí)在主甲板上裝載11個(gè)20 ft集裝箱，每個(gè)集裝箱重量按15 t計(jì)，集裝箱布置見圖1。

集裝箱結(jié)構(gòu)基座設(shè)置在船體橫向強(qiáng)框架上，并在縱向骨架上設(shè)置肘板對(duì)基座進(jìn)行支撐，集裝箱與結(jié)構(gòu)基座采用45°燕尾槽式轉(zhuǎn)鎖連接（見圖2）。

3? ?有限元模型

本船有限元模型采用局部立體結(jié)構(gòu)模型：模型范圍為長(zhǎng)度方向從#36～#90、寬度方向從右舷舷側(cè)至左舷舷側(cè)、高度方向從甲板面集裝箱基座頂部至雙層底。

模型采用2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M橫梁、肋骨、支柱以及強(qiáng)橫梁、縱桁、水平桁、垂直桁的面板和肘板的面板，共12 248個(gè)梁?jiǎn)卧?采用板單元模擬甲板板、艙壁板、舷側(cè)板以及強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨、縱桁、水平桁、垂直桁的腹板和肘板的腹板，共55 861個(gè)板單元;節(jié)點(diǎn)共55528個(gè)。有限元模型見圖3。

模型網(wǎng)格大小約為150 mmx150 mm，在集裝箱與基座連接處采用MPC剛性連接。

船體材料為船用普通鋼：彈性模量E=2.06×1011 N/m2、泊松比0.3、密度7 850 kg/m3、屈服強(qiáng)度為235 MPa。

4? ?邊界條件及載荷工況

4.1? 邊界條件

將模型#36和#90橫截面以及艙壁和支柱與內(nèi)底板連接處邊界剛性約束。

4.2? 設(shè)計(jì)工況

由于甲板上集裝箱布置相對(duì)船體左右舷不完全對(duì)稱，考慮到集裝箱載荷縱向分力和橫向分力的方向性以及垂向分力中最大箱角壓力和最小箱角壓力的變換，本次計(jì)算共考慮四種計(jì)算工況，如表1所示。

4.3? 集裝箱支反力

集裝箱的支反力根據(jù)集裝箱在船舶運(yùn)動(dòng)和風(fēng)壓等狀態(tài)下的受力計(jì)算得出，根據(jù)《規(guī)范》對(duì)集裝箱受力及系固設(shè)備的要求，需要考慮船舶運(yùn)動(dòng)對(duì)集裝箱的影響。

4.3.1 船舶運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)算

（1）橫搖周期計(jì)算：

式中：Kr為橫搖轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，m;GM為滿載出港時(shí)初穩(wěn)性高度，m。

（2）最大橫搖角φm計(jì)算（取不大于0.523rad）：

式中：B為船寬，m;fr為航區(qū)系數(shù);k為系數(shù)。

（3）縱搖周期TP計(jì)算：

式中：L為船長(zhǎng)，m。

（4）最大縱搖角Ψm計(jì)算（但不大于0.14rad）：

式中：Cb為方形系數(shù);CV=L0.5/50（取不大于0.2）;V為最大服務(wù)航速，kn。

（5） 縱蕩加速度ax計(jì)算：

（6）橫蕩加速度計(jì)算：

式中：a0--加速度系數(shù)。

（7） 升沉加速度az計(jì)算：

（8） 橫搖角加速度ar計(jì)算：

（9） 縱搖角加速度ap計(jì)算：

（10） 橫向合成加速度at計(jì)算：

式中：kX為縱向分布系數(shù)。

x為計(jì)算點(diǎn)至尾垂線的縱向距離，m。

橫向合成加速度at還應(yīng)不小于按下式計(jì)算所得：

式中：z為計(jì)算點(diǎn)至基線的垂向距離，m;zrp為橫搖轉(zhuǎn)動(dòng)軸和縱搖轉(zhuǎn)動(dòng)軸到基線的垂直距離，取zrp1= D/4+d1/2和zrp2= D/2之小者，m;

d1為計(jì)算工況下的吃水，m。

（11）縱向合成加速度al計(jì)算（不小于1.5 m/s2）：

（12）垂向合成加速度av計(jì)算（取大值）：

式中：y為計(jì)算點(diǎn)至中縱剖面的橫向距離，m。

4.3.2 集裝箱受力計(jì)算

（1）平行于甲板的橫向分力計(jì)算：

式中：G為集裝箱重量，t;q為風(fēng)壓，（對(duì)舷旁外側(cè)的集裝箱q=1.0 kPa;對(duì)底層的集裝箱還需考慮1.0 kPa的飛濺力）。

（2）垂直于甲板的垂向分力Fz計(jì)算：

（3）平行于甲板的縱向分力Fx計(jì)算：

4.3.3? 集裝箱上的力的分配與組合

（1）橫向分力Fy

Fy由箱的前后端壁傳遞到支撐點(diǎn)x。對(duì)第i只集裝箱的每個(gè)端壁傳遞的橫向力Hi為：

（2）垂向分力Fz

Fz由箱的4個(gè)底角傳遞到座點(diǎn)的支撐結(jié)構(gòu)上。對(duì)第i只集裝箱的每只底角處的垂向分力Vi為：

（3）縱向分力Fx

Fx由箱的左右縱壁傳遞到支撐點(diǎn)x。對(duì)第i只集裝箱的每道縱壁傳遞的縱向分力Li為：

（4）一層集裝箱端壁上的力（見表2）

（5）一層集裝箱縱壁上的力（見表3）

4.3.4? 集裝箱支反力

根據(jù)上述計(jì)算得到本船集裝箱上力的分配與組合（見表4-表7），折算成支反力加載到集裝箱基座上。

4.4? 其他載荷

4.4.1 甲板載荷

根據(jù)《規(guī)范》要求，在模型上施加甲板設(shè)計(jì)載荷P：

式中：h為計(jì)算壓頭，m;γ為裝載率，取γ=1.39 m3/t。

4.4.2 重力加速度

在模型上施加重力加速度。

5? ?許用衡準(zhǔn)

根據(jù)《規(guī)范》各種工況下綁扎橋、固定式貨物系固設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，如表8所示。

6? ?計(jì)算應(yīng)力及變形匯總

各種工況下，各評(píng)估區(qū)域的最大應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果如見表9、表10和圖4～圖7所示。

7? ?甲板下支柱校核

根據(jù)有限元分析的結(jié)果，在工況4時(shí)支柱的軸向壓應(yīng)力最大，達(dá)到87.1 MPa。? ? ? ? ? ? ? ? （下轉(zhuǎn)第頁(yè)）（上接第頁(yè)）

支柱的規(guī)格為φ146x8，支柱剖面積為34.7 cm2，由此求得支柱承受的最大軸向力為302.24 kN。

根據(jù)《規(guī)范》要求，支柱的剖面積A應(yīng)不小于計(jì)算之值：

式中：P為支柱載荷，kN;l為支柱有效長(zhǎng)度（取支柱全長(zhǎng)的0.8倍），m;r為支柱剖面的最小慣性半徑，cm;K為材料系數(shù)（取不小于0.72）。

所選支柱規(guī)格為φ146x8，剖面積為34.7 cm2，大于計(jì)算所得最小剖面積32.95 cm2;且壁厚大于計(jì)算所得7.63 mm，滿足要求。

8? ?結(jié)論與展望

本文利用MSC Patran/Nastran軟件建立集裝箱基座及甲板下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)模型。該軟件可以較好地模擬集裝箱基座及其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)在各個(gè)工況下的應(yīng)力響應(yīng)。在本次分析過(guò)程中，不斷對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終結(jié)果滿足規(guī)范要求，并得出以下結(jié)論：

（1）在集裝箱基座四個(gè)角點(diǎn)處的甲板下，需設(shè)置較強(qiáng)的縱向和橫向強(qiáng)框架來(lái)支撐集裝箱基座;

（2）在計(jì)算集裝箱支反力時(shí)，要考慮船舶運(yùn)動(dòng)、風(fēng)壓等對(duì)集裝箱的影響;

（3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果表明，應(yīng)力較大的區(qū)域?yàn)榛姘寮爸胁恐е敳繀^(qū)域，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過(guò)肘板來(lái)進(jìn)行加強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

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