84 m超規(guī)范分節(jié)駁全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

蔣汝斌, 谷家揚, 管義鋒, 朱玥

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要：84 m分節(jié)駁船為橫骨架式結(jié)構(gòu)，雙舷側(cè)寬度與雙底高度均小于規(guī)范規(guī)定。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，船體強(qiáng)度很難采用常規(guī)規(guī)范中的艙段有限元模型或梁理論來進(jìn)行校核，因而采用MSC.Patran/Nastran軟件建立了84 m分節(jié)駁船有限元模型，基于坦谷波方法施加了舷外水壓力，同時貨物與波浪扭矩以等效分布載荷形式進(jìn)行施加，計算得到全船在不同工況下的應(yīng)力分布與相對變形，為船廠的后續(xù)設(shè)計與制造提供依據(jù)和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：分節(jié)駁；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；有限元分析；設(shè)計規(guī)范

0引言

分節(jié)駁因其結(jié)構(gòu)形式簡單，施工方便，造價低廉，已成為內(nèi)河航運的主要運輸船舶之一。為提高運輸效益，減小航運成本，船東通常根據(jù)貨物運輸要求，利用拖船或頂推船組成駁船船隊。

本文研究的84 m分節(jié)駁，由于航道和自身設(shè)計的特殊性，其船體雙舷側(cè)寬度與雙底高度為0.6 m，均小于規(guī)范規(guī)定，故采用全船有限元計算的方法，對其進(jìn)行強(qiáng)度校核分析，為船廠的后續(xù)設(shè)計與制造提供依據(jù)和指導(dǎo)。

應(yīng)用有限元法，可將船體結(jié)構(gòu)離散為能精確模擬其承載和變形情況的有限個單元，準(zhǔn)確預(yù)報結(jié)構(gòu)對載荷的響應(yīng)，是目前船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中誤差最小、最完善的方法[1—2]。

1有限元建模與工況加載

1.1　實船資料

84 m分節(jié)駁為鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)、雙層底、雙舷側(cè)的大開口船，共設(shè)有145個肋位，8道橫艙壁。平行中體貨艙區(qū)肋距600 mm，首尾肋距500 mm。典型橫剖面如圖1所示。船舶主要參數(shù)如下：

總長

84 m

水線長

83.94 m

圖1　典型橫剖面圖

垂線間長

83.94 m

型寬

11.40 m

型深

3.68 m

設(shè)計吃水

2.77 m

航區(qū)

B級

1.2　全船有限元模型的建立

全船有限元模型必須囊括整個船體結(jié)構(gòu)。為提高效率，建模時采用子結(jié)構(gòu)技術(shù)[3—4]，將船體分為艏部、平行中體、艉部等子艙段，并進(jìn)一步細(xì)分，將船體主要構(gòu)件按結(jié)構(gòu)形式，分成甲板結(jié)構(gòu)、舷側(cè)結(jié)構(gòu)、雙層底等子結(jié)構(gòu)，這樣建模有利于后續(xù)空船重量重心調(diào)整。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]，本船有限元網(wǎng)格劃分的大小以肋距為基準(zhǔn)，甲板、船體外板、首尾船底縱桁腹板等用二維3、4節(jié)點殼單元模擬，采用2節(jié)點梁單元模擬縱骨、縱桁面板等小尺寸構(gòu)件。本模型單元數(shù)為144 846個。圖2為有限元模型示意圖，圖3為艉部結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖。

普通船用鋼材料特性：泊松比0.3，彈性模量E=2.06×105MPa，屈服強(qiáng)度235 MPa。

1.3　邊界條件

參考《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2014)，首端節(jié)點1施加三向線位移約束：即u1x=u1y=u1z=0；尾封板節(jié)點2約束Z方向線位移，即u2z=0；尾封板節(jié)點3約束Y向與Z向線位移，即u3y=u3z=0。邊界條件示意圖如圖4。

圖2　全船有限元模型

圖3　艉部結(jié)構(gòu)有限元模型(隱去甲板)

圖4　邊界條件示意圖

1.4　計算工況選取

本船穩(wěn)性計算書給出了4種工況，本文選取其中2種典型危險工況進(jìn)行有限元分析，詳見表1。

表1　計算工況

1.5　載荷施加及計算過程

船舶滿載出港時貨物重量為2 200 t，重心高度為2.62 m。貨物對內(nèi)底、內(nèi)舷以及貨艙兩端橫艙壁的壓力以面壓(Pressure)的形式施加。同時，在有限元中調(diào)整材料的密度屬性，減小有限元模型與實船的重量、重心位置差異，使有限元模型的重量、重心位置與穩(wěn)性計算書給出的相近[4]。

舷外水壓力根據(jù)計算工況船舶處于平衡狀態(tài)時的設(shè)計波，按壓力分布施加到模型的濕表面各單元上，滿載工況時取中垂波面，空載工況時取中拱波面。設(shè)計波等效為坦谷波，波長等于垂線間長，波高h(yuǎn)e等于式(1)計算所得之值[5]：

he=αw(29 593-120.89L+0.223 21L2)×10-4

(1)

式中：L為垂線間長，L=83.94 m；αw為航區(qū)波高修正系數(shù)，B級航區(qū)αw=0.6。

經(jīng)計算，he=1.26 m。

按坦谷波理論修正船舶浮態(tài)確定船舶在波浪上的平衡位置時，坦谷波波面到波軸線的垂向坐標(biāo)y按式(2)計算為：

(2)

波浪扭矩與貨物扭矩按照文獻(xiàn)[5]以垂向等效分布載荷的形式反對稱施加在尾垂線與首垂線間沿兩舷的強(qiáng)力甲板邊線上，且保持波浪扭矩和貨物扭矩的方向一致。

波浪扭矩等效分布載荷pt(x)按式(3)計算：

(3)

式中：pt(x)為波浪扭矩等效分布載荷，kN/m；b(x)為單位分布扭矩的等效力偶臂，取兩對稱計算點間的距離，b(x)=11.4 m；mT(x)為波浪扭矩的分布扭矩，kN·m/m，按式(4)計算：

(4)

其中：MT(x)為波浪扭矩沿船長的分布，kN·m，按式(5)計算：

(5)

其中：αt為航區(qū)修正系數(shù)，B級αt=374L-1.482；Kt為系數(shù)，Kt=(2 394.6-18.46L+0.046 7L2)×10-5；ZS為船中大開口剖面的扭轉(zhuǎn)中心至船底基線的距離，ZS=1.54 m；D為型深，D=3.68 m。

貨物扭矩等效分布載荷ptc(x)按式(6)計算：

(6)

式中：ptc(x)為貨物扭矩等效分布載荷，kN/m；mtc(x)為貨物扭矩的分布扭矩，kN·m/m，按式(7)計算：

(7)

其中：Mtc(x)為貨物扭矩沿船長的分布，kN·m ，按式(8)計算：

(8)

其中：MTCO為船中處的最大貨物扭矩，kN·m，按式(9)計算：

裝載散貨時：MTCO=0.245Gb

(9)

其中：G為裝載貨物總量，G=2 200 t；b為貨艙寬度，b=10.1 m。

2結(jié)果分析

通過MSC.Nastran 計算施載模型，將84 m分節(jié)駁主要構(gòu)件在2個工況下的應(yīng)力進(jìn)行整理匯總，見表2。

滿載、空載工況下船體相對應(yīng)力云圖分布分別如圖5、圖6所示，滿載、空載工況下船體相對變形云圖分別如圖7、圖8所示。

表2　船體主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大應(yīng)力匯總

計算分析表明：

(1) 結(jié)合表2與圖5分析，滿載工況時，由于貨物扭矩與波浪扭矩的雙重作用，貨艙兩端主甲板與內(nèi)舷側(cè)板交匯處出現(xiàn)小范圍高應(yīng)力集中；同時，由于該工況下船舶處于中垂?fàn)顟B(tài)且發(fā)生扭轉(zhuǎn)(如圖7所示)，因此艙口圍板應(yīng)力也相對較大，船體應(yīng)力分布總體呈“中間大兩頭小”的趨勢，這與船舶實際航行狀態(tài)相符合。

(2) 從圖6可以看到空載工況時，整體應(yīng)力分布較為均勻且較小，但由于扭轉(zhuǎn)的作用，導(dǎo)致一舷應(yīng)力相對較大，此時船體結(jié)構(gòu)變形以扭轉(zhuǎn)為主(如圖8所示)。高應(yīng)力主要出現(xiàn)在艏封板中心向后區(qū)域，尤以船底最為明顯，其他船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有冗余，這是以往通過艙段有限元很難發(fā)現(xiàn)的，可作為后續(xù)調(diào)整加強(qiáng)艏部結(jié)構(gòu)的依據(jù)。

圖5　滿載工況下船體相對應(yīng)力云圖分布

圖6　空載工況下船體相對應(yīng)力云圖分布

圖7　滿載工況下船體相對變形云圖

圖8　空載工況下船體相對變形云圖

(3) 2種典型危險工況下，除主甲板與內(nèi)舷側(cè)板高應(yīng)力集中區(qū)域外，船體主要

構(gòu)件應(yīng)力較小且傳遞平緩，無明顯應(yīng)力突變區(qū)域，實肋板等開口處無應(yīng)力集中現(xiàn)象，兩工況下強(qiáng)肋位最大相當(dāng)應(yīng)力約40 MPa。

(4) 分析圖7與圖8可得，由于本船采用橫骨架式，無縱骨對船體總縱強(qiáng)度進(jìn)行支撐，且實肋板高度受限于雙層底高度，600 mm的雙舷側(cè)寬度限制了橫向構(gòu)件的大小，故在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力與縱向應(yīng)力的作用下，滿載工況時船體結(jié)構(gòu)變形較同類型縱骨架式船舶明顯，艙口圍板最大變形位移達(dá)到156 mm；空載出港時最大變形區(qū)域出現(xiàn)在Fr129橫艙壁(即貨艙首端)與艙口圍板頂緣交匯區(qū)域，變形位移為29.4 mm。

3結(jié)論

(1)2種工況計算結(jié)果表明，由于本船為非自航駁船，尾部無主機(jī)及配套構(gòu)件，因此首尾重量差異較小。通過調(diào)整材料密度屬性的方式來調(diào)整空船重量重心分布，并基于坦谷波修正船舶浮態(tài)施加舷外水壓力，同時以等效分布載荷的形式施加波浪扭矩與貨物扭矩進(jìn)行有限元模擬分析具有較高的可靠性。

(2)本次模擬真實預(yù)報了各工況下船體的相對變形，獲得了船體外板、甲板、艙口圍板等主要構(gòu)件的最大相當(dāng)應(yīng)力與縱向應(yīng)力，并發(fā)現(xiàn)船舶在滿載工況時，其貨艙兩端主甲板與內(nèi)舷側(cè)板交匯區(qū)域會出現(xiàn)小范圍高應(yīng)力集中，因此該區(qū)域板厚可做適當(dāng)加強(qiáng)；同時艙口圍板的應(yīng)力與變形也相對較大，可適當(dāng)增加板厚。

(3)本文提供了針對內(nèi)河超規(guī)范駁船有限元建模和加載的基本步驟，對同類型船舶的全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析起到借鑒作用。

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中圖分類號：U661.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：蔣汝斌(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造。

收稿日期：2015-02-04

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51309123)；江蘇省高校自然科學(xué)研究資助項目(13KJB570002)；海洋工程國家重點實驗室開放基金(1407)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(PAPD)