王 鐵,王慶豐

(1.江蘇省船舶檢驗局,江蘇 南京 210004;2.江蘇科技大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

128 m打樁船帶纜樁支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

王 鐵1,王慶豐2

(1.江蘇省船舶檢驗局,江蘇 南京 210004;2.江蘇科技大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

使用MSC.Nastran軟件對 128m打樁船帶纜樁支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行校核,為船舶作業(yè)時的安全性提供依據(jù),并可用來指導(dǎo)船體支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計及優(yōu)化。計算分析表明,該船支撐結(jié)構(gòu)響應(yīng)滿足強(qiáng)度要求。

打樁船;帶纜樁;支撐結(jié)構(gòu);強(qiáng)度;有限元

0 引言

隨著船舶工業(yè)的發(fā)展,工程船舶的作用日益凸現(xiàn)。工程船舶因其進(jìn)行一定的水上作業(yè),受多種載荷共同作用,且工作條件十分惡劣,因此其支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度一直受到關(guān)注。本文以 128 m打樁船帶纜樁支撐結(jié)構(gòu)為研究對象,利用 MSC.Nastran軟件對其工作時各種載荷工況下的強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。

1 打樁船上甲板基本情況及有限元模型

1.1 典型帶纜樁及其位置

128 m打樁船設(shè)置 10個帶纜樁,對稱地分布于上甲板左右舷。其具體位置及編號如圖1所示。

圖1 帶纜樁具體位置及編號

1.2 上甲板及其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元模型

1.2.1 上層建筑結(jié)構(gòu)有限元模型

由于帶纜樁、拖力眼板的支撐結(jié)構(gòu)屬于非常局部的結(jié)構(gòu),因此計算中選取帶纜樁所在位置的甲板結(jié)構(gòu),邊界延伸至強(qiáng)構(gòu)件(艙壁、強(qiáng)橫梁、縱桁、舷側(cè)等)處即可,但是為了減小邊界的影響以及考慮帶纜樁同時受力的情況,故建立整個甲板模型。船體支撐結(jié)構(gòu)以板、梁單元模擬,帶纜樁、導(dǎo)纜鉗的基座根據(jù)型號尺寸,參考相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),建立基座的模型,其余部分則直接以MPC單元模擬。由于左右舷帶纜樁對稱,故只分析一半(左舷)的情況。有限元模型如圖2所示。

1.2.2 邊界條件

為了選取與該船實際情況一致的方案,有限元模型下邊緣剛性固定,即限制住三個方向的平動位移和三個方向的轉(zhuǎn)動位移,如圖3所示。

圖2 128 m打樁船帶纜樁支撐結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 邊界條件

1.2.3 載荷施加

計算載荷根據(jù)設(shè)計方提供的安全工作負(fù)荷SWL來計算,1.25×9.81×SWL即可算得 1根系泊索或拖索的計算載荷,多根系泊索或拖索同時作用時,應(yīng)按所有作用的載荷合力大小及合力方向施加載荷。

本船設(shè)計方提供的安全工作負(fù)荷SWL為 26t,各帶纜樁、導(dǎo)纜器和導(dǎo)纜孔計算載荷及載荷施加方式如下:

(1)拖力眼板:兩拖索與 X軸(沿船長方向,指向船首為正)平行,計算載荷為 2×1.25×9.81×26=637.65 kN。

(2)帶纜樁 1:按拖索的兩個最大角度,計算兩種工況

工況 a:拖索與X軸正向成 120°(逆時針方向角度記為正,順時針方向角度記為負(fù),以下同),計算載荷為 1.25×9.81×26=318.825 kN。

工況 b:拖索與 X軸正向成-120°,計算載荷為1.25×9.81×26=318.825 kN。

(3)帶纜樁 2:按拖索的兩個最大角度,計算兩種工況

工況 a:拖索與 X軸正向成-150°,計算載荷為1.25×9.81×26=318.825 kN。

工況 b:拖索與 X軸正向成 30°角,計算載荷為1.25×9.81×26=318.825 kN。

(4)帶纜樁 3:按系泊索的角度,計算一種工況

工況 a:系泊索與 X軸正向成 90°,計算載荷為1.25×9.81×26=318.825 kN。

(5)帶纜樁 4:按系泊索的角度,計算一種工況

工況 a:系泊索與 X軸正向成 90°,計算載荷為1.25×9.81×26=318.825 kN。

(6)帶纜樁 5:按拖索的兩個最大角度,計算兩種工況

工況 a:拖索與 X軸正向成-150°,計算載荷為1.25×9.81×26=318.825 kN。

工況 b:拖索與 X軸正向成 30°,計算載荷為1.25×9.81×26=318.825 kN。

考慮到帶纜樁同時使用時幾種工況的排列組合問題,故將所有可能工況列于表1。

1.2.4 載荷施加方法

船舶配件上拖帶載荷的作用點應(yīng)是系索的附著點或系索方向變化處,可根據(jù)所選用帶纜樁的規(guī)格,查閱相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

帶纜樁施加在距離面板 1.2倍樁柱公稱直徑高度上,其他受載節(jié)點用MPC與之相連;三滾輪導(dǎo)纜器施加在中間滾輪的中心,其他受載節(jié)點用MPC與之相連;羊角單滾輪導(dǎo)纜器施加滾輪中心,其他受載節(jié)點用MPC與之相連。

2 帶纜樁支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

2.1 許用應(yīng)力

許用應(yīng)力衡準(zhǔn)參考《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2006)第 2篇第 3章第 3.6.4.5節(jié),板單元和梁單元的平均 VonMises應(yīng)力取 100%所用材料的屈服點;許用剪切應(yīng)力:60%所用材料的屈服點;計算不考慮應(yīng)力集中因素。應(yīng)力衡準(zhǔn)如下:

式中:σy為材料屈服強(qiáng)度,σy=235 MPa。

如局部較小范圍內(nèi)區(qū)域的應(yīng)力水平過大,可取所計算的單元和與其連接結(jié)點所屬單元的應(yīng)力之平均值。

2.2 有限元計算結(jié)果

表2～表6列出所有單元中的最大應(yīng)力匯總。通過與許用應(yīng)力進(jìn)行對比,結(jié)構(gòu)均滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)語

本文通過建立 128m打樁船帶纜樁支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型,計算了結(jié)構(gòu)在船體正常作業(yè)時的應(yīng)力與變形水平。計算分析表明,該船作業(yè)時的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

[1]中國船級社.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計算指南[M].北京:人民交通出版社,2009.

[2]楊永謙.有限元法及其在結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用[M].大連:大連海運學(xué)院出版杜,1992.

[3]陳鐵云,陳伯真.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1990.

U661.43

A

2010-06-10

王鐵(1976-),男,工程師,主要從事船舶檢驗工作;王慶豐(1976-),男,副教授,研究方向為船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度分析。

表1 各種工況匯總表

表2 帶纜樁 1支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力匯總 MPa

表3 帶纜樁 2支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力匯總 MPa

表4 帶纜樁 3支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力匯總 MPa

表5 帶纜樁 4支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力匯總 MPa

表6 帶纜樁 5支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力匯總 MPa