基于FEA方法的機艙大型設備基座強度分析

吳先彪 李炎鋒 黃妙姿

摘? ? 要：基于大型通用有限元軟件，采用有限元法對鋁合金雙體高速客船在發生碰撞時的大型設備基座結構進行仿真和強度計算，提出合理化建議，使得基座的設計更為合理，同時結構強度滿足要求。

關鍵詞：高速雙體客船;有限元法，鋁合金

中圖分類號：U661.3? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Strength Analysis for Foundation of Large Equipment in Engine Room Based on FEA Method

WU Xianbiao， LI Yanfeng， HUANG Miaozi

（ Afai Southern Shipyard （Panyu Guangzhou） Ltd. Guangzhou 511431 ）

Abstract： Based on the large-scale general finite element software， the FEA method is used to simulate and calculate the foundation strength of large equipment in engine room for the aluminum alloy high-speed passenger catamaran in the case of collision， and the reasonable suggestion is put forward to make the design of the foundation more reasonable and the structural strength meet the requirements.

Key words： High-speed passenger catamaran; FEA; Aluminum alloy

1? ? 引言

鋁合金雙體高速客船由于其甲板面積大、良好的穩性和快速性等優點，在海上客運行業一直扮演著重要的角色。然而對于高速客船而言，其安全性具有特殊意義，根據IMO《2000年國際高速船舶安全規則》[1]的要求，需考慮船舶高速航行時發生意外碰撞產生的加速度，在發生碰撞時大質量設備如主機、輔機等設備的安裝能承受意外碰撞加速度而不破壞。為了分析鋁合金高速客船在碰撞時機艙內大型設備基座的結構強度特性，本文采用有限元方法對一艘典型40 m鋁合金雙體高速客船主機及發電機基座進行建模仿真及結構強度分析，并根據計算結果對結構進行優化。

2? ?機艙區域結構有限元模型的建立

2.1? 船舶主尺度及機艙大型設備基座結構特點

該典型40 m鋁合金雙體高速客船主要尺度為：總長39.20 m、設計水線長38.50 m、型寬9 m、型深3.4 m、空船重量△E =100.526 t、滿載排水量△F=127.156 t、最大航速V=28.50 kn、肋位間距1 m、單個機艙長度8 m;主船體外板采用縱骨架式單底結構。機艙區域大型設備基座俯視圖及側視圖，如圖1、2所示。

2.2? 結構有限元模型的建立與邊界條件

有限元模型范圍，包括單個片體主機及發電機基座等結構的主船體機艙區域。在計算時，為了模擬機艙邊界處結構的真實支撐狀態，對其邊界進行剛性約束，最終建立的有限元模型及邊界約束如圖3所示。

在有限元模型中：外板、艙壁板、實肋板、主機縱桁等主要構件腹板，以及主機縱桁面板，采用四邊形殼單元模擬，殼單元的網格平均尺寸為50 mmx50 mm;扶強材及實肋板等型材面板構件，采用梁單元模擬;設備與基座的連接采用MPC（多點約束）的方式進行。本次計算主要是分析設備基座的受力情況，有限元模型采用簡化處理，因外板以及艙壁區域平均受力較小，故外板縱骨、艙壁扶強材以及局部區域肘板未在模型中表達。

圖3? 機艙區域有限元模型

2.3? 載荷及工況

2.3.1 載荷的計算

（1）載荷P按下列公式計算，取P1和P2中的較小值：

P1=460 （MCL）2/3 （ECH）1/3;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

P2=9 000 MCL（CH D）1/2;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：L為計算船長（m）;CL為船長系數，按下式計算：

（3）

E為船舶的動能，按下式計算：

E=0.5Δ*V2 imp? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

V imp為碰撞速度（m/s），取營運航速的2/3;

Δ為排水量，取空船重量和最大營運重量的平均值（t）;

D 為型深（m），取龍骨下緣至船體有效梁頂部;

CH=（80-L）/45，但不大于0.75或不小于0.3;

（2）根據規范[1]，設計碰撞加速度gcoll表示為重力加速度g的倍數，按下式計算并按表1進行取值：

各參數計算結果，見表2。

各個方向上碰撞加速度及引起各設備產生的慣性力計算結果，見表3。

2.3.2 載荷的施加

慣性力的施加采用多點約束（MPC）的方法，其原理是將某節點的自由度定義為其他若干獨立自由度的函數。多點約束可用于類似于剛性連接、鉸接等特定的物理現象，能用于單元間的載荷傳遞。

本文采用多點約束，能準確模擬出船在碰撞時設備的慣性力作用在基座的力及力矩。在進行載荷的施加時，將由碰撞加速度引起的慣性力和重力施加在設備的重心處，慣性力和重力通過MPC傳遞到基座面板上。實際計算中，多點約束的主節點為設備的重心，是載荷的施加點，包含了節點位移的六個自由度，以節點為設備基腳與主機基座縱桁的連接部位，一般設置在螺栓連接處，并設定從節點位移的六個自由度與主節點的從屬關系。

2.4? 應力衡準

根據規范[3]要求，局部強度構件計算應力應不大于表4所列許用應力值：

表中：σsw為鋁合金的焊后屈曲強度，取值110 N/mm2。

2.5? 計算工況

計算時考慮其最危險的工況，即橫向+垂向+縱向（向前/向后）慣性力的共同作用。故選取以下兩種最危險的組合工況：

（1）工況1：（m1g+m2g）（發電機和主機自身重力向下）+（F1X+ F2X）（發電機和主碰撞加速度向前） + （F1Y+ F2Y） （發電機和主機碰撞慣性力向外舷）+ （F1-Z+ F2-Z） （發電機和主機碰撞慣性力向下）;

（2）工況2：（m1g+ m2g）（發電機和主機自身重力向下）+（F1-X+ F2-X ） （發電機和主機碰撞加速度向后） + （F1Y+ F2Y） （發電機和主機碰撞慣性力向外舷）+ （F1-Z+ F2-Z） （發電機和主機碰撞加速度向下）。

3? ? 計算結果

（1）在工況1，殼單元Von Mises應力云圖、位移云圖如圖4-7所示。

根據以上計算結果可知：最大Von Mises應力和最大剪切應力均發生在基座面板上，同時此處產生了一定的應力集中，分別為66.6 N/mm2、33.5 N/mm2;梁單元最大軸向應力為20.5 N/mm2，滿足《海上高速船入級與建造規范》[3]中有關衡準的要求;基座區域的最大變形發生在主機基座面板靠近尾側安裝螺栓處，位移值為0.80 mm。

（2）在工況2，殼單元Von Mises應力云圖、位移云圖如圖8～11所示。

根據以上計算結果可知：最大Von Mises應力和最大剪切應力均發生在基座面板上，分別為43.7 N/mm2、25.2 N/mm2;梁單元最大軸向應力為14.9 N/mm2，滿足規范[3]中有關衡準的要求;基座區域的最大變形發生在發電機基座面板靠近尾側安裝螺栓處，位移值為0.85 mm。

4? ?結構優化分析

在高速客船的結構設計中，使用鋁合金材料可以減輕船體重量、保證經濟效益。但是由于鋁合金剛度和強度均不及鋼材，故在特殊部位設計時應優化結構型式、增大結構尺寸、進行局部結構加強。

根據以上計算結果，對主機基座的結構優化一般可采用如下措施：

（1）增大與設備連接的螺栓處面板的厚度，減小此處的應力集中，使得應力分布更加均勻;

（2）在滿足總體性能的同時盡量降低設備基座的高度，以降低在碰撞時基座面板和腹板的彎矩、減小應力;

（3）當基座腹板較高時，需增加一定的垂向或縱向扶強材，以增強腹板的穩定性。

該典型40 m鋁合金高速客船機艙內基座在設計建造過程中，采用了上述措施（1）、（3）對基座結構進行優化，即主機及發電機基座與結構面板之間采用15 mm墊板進行支撐，同時增加規格為HP65x3.5的球鋁作為基座腹板的加強。

本文選取工況1對優化后的基座結構進行計算。

根據計算結果可知：最大Von Mises應力和最大剪切應力均發生在基座面板上，分別為45.8 N/mm2、23.1 N/mm2;梁單元最大軸向應力為16.3 N/mm2，滿足《海上高速船入級與建造規范》[3]中有關衡準的要求;基座區域的最大變形發生在發電機基座面板上，位移值為0.72 mm。

由上可知，主機及發電機基座結構經過設計優化，能明顯改善結構的強度及變形。優化前后的計算結果對比，見表5。

5? ?結論

采用有限元方法，對典型40 m鋁合金高速雙體客船機艙大型設備基座在產生碰撞加速度的情況下進行仿真和結構強度分析。通過對最危險工況的計算，該船機艙內大型設備基座結構強度滿足《海上高速船與建造規范》[3]的要求。

鋁合金材料在高速船上應用越來越廣泛，機艙內設備基座是船體結構中最重要的組成部分之一，利用有限元法對其在船體發生碰撞的情況下進行結構強度分析，并提出合理化的設計意見，對鋁合金高速船的結構設計具有重要意義。

參考文獻

[1]2000年國際高速船安全規則[S].人民交通出版社，2000.

[2]聶武，孫麗萍.船舶計算結構力學[M]，哈爾濱工程大學出版社，?1996.

[3]中國船級社. 海上高速船入級與建造規范[S]. 人民交通出版社，2015.