基于Femap軟件的下水牽引梁結(jié)構(gòu)強度分析

景維文

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧 大連 116113）

船舶滑道下水是船舶下水的常見形式之一，具有可靠性高、摩擦力穩(wěn)定、過載能力強、適應(yīng)性廣等優(yōu)點，已被越來越多的現(xiàn)代化船舶修造企業(yè)使用[1]。需要滑道下水的船舶一般在船臺建造，船體外底板由穿插布置的鋼墩與砂箱墩共同支撐，在這些墩之間提前鋪設(shè)滑道。船舶下水時，將船底鋼墩與砂箱墩卸力、撤出，使船體落至箱型梁上，再利用卷揚機將船體拉至半潛駁船或浮船塢中，再移至塢坑漂浮，至此船舶下水完畢[2]。

滑道下水又分為2 種方式：一種是拖移船體，另一種是拖移箱型梁。2 種方式都是通過摩擦力使船體和箱型梁沿滑道共同運動，但拖移船體需要在艏部或艉部焊接拖移吊耳，下水后切除吊耳，不僅費時費力，而且需要回塢補涂油漆，造成塢期的浪費。根據(jù)62 000 t 多用途紙漿船的下水需要，采用拖移箱型梁的方法下水，在箱型梁間設(shè)計下水牽引梁，下水過程中通過滑輪系統(tǒng)拖拽牽引梁前端實現(xiàn)整船滑向浮船塢，再實現(xiàn)整船下水。

1 船舶下水

62 000 t多用途紙漿船總長201.8 m，寬32.26 m，型深19.3 m，設(shè)計吃水12.5 m，載貨量62 000 t。

1.1 船臺布置

62 000 t 多用途紙漿船在船臺建造，艉朝海。該項目使用雙滑道拖移下水，艉封板距離碼頭邊緣約36.5 m，拖移到15 萬t 浮船塢終點時距離浮船塢抬升甲板首部距離約28.9 m，整體拖移長度約250.1 m。

滑道對稱布置在距離船體中心線6 250 mm 位置，滑道寬度1.8 m，有效寬度1 430 mm，滑道橫剖面示意圖如圖1 所示。該項目拖移使用箱型梁左右舷共計40 節(jié)，其中從艉向艏方向數(shù)第1 節(jié)為牽引梁，第2節(jié)～第4節(jié)和第20節(jié)（左右舷共計8節(jié)箱型梁）為普通箱型梁，規(guī)格為9 680×1 240×680（長×寬×高），艏部第5 節(jié)～艉部第19 節(jié)（左右舷共計30 節(jié)箱型梁）為加寬箱型梁，規(guī)格為9 680×2 500×680（長×寬×高）。左舷下水拖移示意圖如圖2所示，右舷對稱。

圖2 左舷下水拖移示意圖

1.2 下水牽引梁

出于安全考慮，在下水牽引梁尾側(cè)焊接4 個下水吊耳，距離中線1 925 mm 處有2 枚250 t 牽引吊耳，材質(zhì)AH32。距離中線2 875 mm 處有2 枚60 t吊耳，材質(zhì)Q235。首側(cè)箱型梁之間有一組250 t 連接吊耳，材質(zhì)AH32。下水牽引梁結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。所有結(jié)構(gòu)焊前需除銹，噴涂一遍車間底漆，焊后噴涂兩遍黃色油漆，焊接后，所有構(gòu)件需要進行磁粉探傷。

圖3 下水牽引梁結(jié)構(gòu)示意圖

2 下水牽引梁有限元模型的建立

計算下水牽引梁的強度，需要對下水牽引梁進行有限元建模以滿足計算要求。

2.1 確定坐標系、計算單位及材料屬性

模型采用直角坐標系，X軸與下水梁延長方向平行，Y軸與下水梁延長方向垂直，Z軸垂直下水梁工作平面向上[3]。計算模型長度單位為mm，力單位為N，應(yīng)力單位為MPa。

其中箱型梁本體由普通鋼（Q235）制成，下水牽引梁部分和箱型梁間連接部分由普通鋼（Q235）和高強鋼（AH32）制成，因此計算模型中普通鋼屈服應(yīng)力取235 MPa，高強鋼屈服應(yīng)力取315 MPa。鋼材楊氏模量取2.05×105N/mm2，鋼材密度取7.85×10-6kg/mm3，泊松比取0.3。

2.2 有限元模型

利用Femap軟件建造下水牽引梁立體模型，箱型梁蓋板、側(cè)板、肘板、加強筋、吊耳等均簡化為薄板結(jié)構(gòu)，使用板單元建立；箱型梁間連接可使用線單元模擬；結(jié)構(gòu)中小肘板、小型開孔、三角板趾端等構(gòu)件由于對強度影響較小，故沒有在模型中體現(xiàn)。有限元模型單元尺寸為50×50。

2.3 邊界條件和施加載荷

箱型梁和牽引梁底部在下水作業(yè)中與船臺滑道和浮船塢滑道直接接觸，本次計算采用邊界條件模擬滑道對箱型梁的限位作用，即在梁底部限制Z方向的位移自由度；在滑道與箱型梁接觸處，限制Y、Z方向的位移自由度；在箱型梁最后的眼板處限制整個模型沿箱型梁滑動方向的運動，即限制X、Y、Z3個方向的位移自由度，以模擬后部箱型梁對前端箱型梁的拉力。載荷作用位置及大小見表1。

表1 載荷作用位置及大小

3 下水牽引梁整體強度分析

本次計算根據(jù)DNV-OS-C102《STRUCTURAL DESIGN OF OFFSHORE SHIPS》（以下簡稱規(guī)范1）、DNV-OS-H205《Lifting Operations》（以下簡稱規(guī)范2）對下水牽引梁主體結(jié)構(gòu)及吊耳分別進行強度校核[4]。

3.1 下水牽引梁鋼結(jié)構(gòu)強度校核

本次計算根據(jù)規(guī)范1 確定材料屈服應(yīng)力，其中板單元相當應(yīng)力σ計算公式如下：

式中，σX為X方向膜應(yīng)力；σY為Y方向膜應(yīng)力；τd為X-Y平面內(nèi)剪應(yīng)力。

計算結(jié)果應(yīng)遵循式（2）：

式中，fy為材料屈服應(yīng)力（普通鋼為235 MPa，高強鋼為315 MPa）；γM為材料系數(shù)，取1.15；ηPeak為峰值應(yīng)力系數(shù)，取1.36。

經(jīng)計算可知，普通鋼相當應(yīng)力（σ1）為277.91 MPa，高強鋼相當應(yīng)力（σ2）為372.52 MPa。

根據(jù)規(guī)范2 安全系數(shù)規(guī)定，計算箱型梁（不包括吊耳和眼板部分）的安全系數(shù)γsf：

式中，γf為載荷安全系數(shù)，取1.3；γc為結(jié)果安全系數(shù)，取1.15；γcog為重心不確定系數(shù)，取1.05；γa為動載荷安全系數(shù)，取1.1。

計算可得，γsf=1.73。

根據(jù)公式（2）、（3），可得該工裝加強結(jié)構(gòu)的材料屈服系數(shù)，該工裝下水牽引梁普通鋼許用應(yīng)力σallow1、高強鋼許用應(yīng)力σallow2為：

利用Femap軟件對下水牽引梁模型進行有限元分析計算，計算如下。

1）箱型梁原結(jié)構(gòu)端部中層的水平板最大應(yīng)力為185 MPa，超過σallow1，但超出量很小，可與周邊單元應(yīng)力值取平均值處理，即平均值為152 MPa，小于σallow1，滿足強度要求。下水牽引梁相當應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 下水牽引梁相當應(yīng)力云圖

2）箱型梁與250 t吊耳的連接區(qū)域最大應(yīng)力為117.5 MPa，為高強鋼最大應(yīng)力值，小于σallow2，滿足強度要求。

3）下水牽引梁最大變形為10 mm，位于牽引吊耳區(qū)域，整體變形比例小于1/1 000，可滿足應(yīng)變要求。下水牽引梁位移云圖見圖5。

圖5 下水牽引梁位移云圖

3.2 下水牽引梁吊耳強度校核

由于吊耳結(jié)構(gòu)的特殊性，對吊耳和眼板結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力進行理論校核，主要校核吊耳的最大剪應(yīng)力及眼板眼心處的最大拉應(yīng)力，許用剪應(yīng)力取屈服強度的0.4 倍，眼心處許用拉應(yīng)力取屈服強度的0.45 倍，經(jīng)校核，吊耳強度滿足要求。下水牽引梁吊耳校核結(jié)果如表2所示。

表2 下水牽引梁吊耳校核結(jié)果 MPa

3.3 下水牽引梁結(jié)構(gòu)屈曲校核

下水牽引梁受力大，下水時容易失穩(wěn)，從而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部變形。為此，要對下水牽引梁進行結(jié)構(gòu)屈曲校核：

式中，σmax1為沿板格長邊最大壓應(yīng)力；σmax2為沿板格短邊最大壓應(yīng)力；τ為最大板邊剪應(yīng)力；σU1為沿板格長邊平行方向的極限屈曲應(yīng)力；σU2為沿板格短邊平行方向的極限屈曲應(yīng)力；τU為極限屈曲剪應(yīng)力；η為屈曲失效的應(yīng)力倍增因子。

通過圖4 可知，吊耳間結(jié)構(gòu)處于受壓狀態(tài)，最易發(fā)生屈曲。選取此處進行屈曲校核。該結(jié)構(gòu)長560 mm，寬480 mm，厚26 mm。X方向最大壓應(yīng)力-108.6 MPa，Y方向最大壓應(yīng)力-85 MPa，最大剪應(yīng)力46 MPa。計算板格屈曲利用率為0.53＜1，下水牽引梁結(jié)構(gòu)屈曲強度滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

本文以62 000 t 多用途紙漿船為對象，研究下水牽引梁的結(jié)構(gòu)強度問題。建立下水牽引梁、箱型梁有限元模型，施加重力載荷，通過設(shè)立滑道邊界條件來模擬船舶下水過程，計算得出船舶下水時牽引梁的應(yīng)力和變形，校核牽引梁吊耳強度，對受壓區(qū)域板材進行屈曲強度校核，保證了船舶下水工裝的安全性與穩(wěn)定性。該計算方法能夠客觀、合理地評估船舶下水工裝的安全性，對船舶下水具有指導(dǎo)意義。目前該系列船已全部完成下水，進一步驗證了該計算方法的科學(xué)性和安全性。