余 鴻，蔡曉梅

(蕪湖大江造船有限公司，安徽蕪湖 241001)

鋼沉井運輸駁船的強度有限元分析

余 鴻，蔡曉梅

(蕪湖大江造船有限公司，安徽蕪湖 241001)

首先依據(jù)《內(nèi)河包裝運輸危險貨物積載和系固手冊編制指南》，同時考慮到鋼沉井實際的裝載情況確定了綁扎方案，進(jìn)而求得了相應(yīng)工況下每根鋼絲繩受到的拉力。其次用有限元軟件MSC/PATRAN對運輸鋼沉井的98 m駁船建模及加載，同時對駁船的主要構(gòu)件強度進(jìn)行直接計算。最后比較3種工況下駁船各處應(yīng)力的大小。結(jié)果表明，駁船主要構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求。

駁船;鋼沉井綁扎;有限元;結(jié)構(gòu)強度

0 引言

駁船具有船型小、載重噸位小、平底等特點，因此廣泛應(yīng)用于內(nèi)河淺狹航道的貨物運輸。駁船甲板多具有較大的載貨面積，主要用來運輸工程輔料、礦砂等大宗散貨，船舶利用率高。為了降低成本，運輸鋼沉井的駁船的結(jié)構(gòu)設(shè)計一般都在規(guī)范所允許的最低限，所以在營運過程中船舶很可能由于自身構(gòu)件強度不足出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的破損，導(dǎo)致人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此有必要對在運輸鋼沉井這類重量大，并且需綁扎貨物的駁船的結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行研究。本文最終使用有限元方法對運輸鋼沉井的98 m駁船的主要構(gòu)件強度進(jìn)行直接計算。

1 有限元分析

1.1 創(chuàng)建有限元模型

1.1.1 駁船結(jié)構(gòu)形式及主尺度

本船為單甲板、單底、單舷，縱骨架式全焊接結(jié)構(gòu)，肋距為625 mm，艏尖艙(Fr144至Fr160)肋距為500 mm。本船總長98.00 m，垂線間長 98.00 m，船寬32.00 m，型深7.00 m，吃水 5.20 m，方形系數(shù)為0.839。

1.1.2 創(chuàng)建有限元模型

利用大型商用有限元軟件MSC/PATRAN進(jìn)行有限元建模。采用三維有限元模型，模型垂向范圍為距基線4.4 m以上所有船體構(gòu)件，寬度方向為全寬，長度方向為整個船長。模型外板、艙壁板、強框架、肋板、縱桁、肋骨腹板、甲板縱桁腹板等結(jié)構(gòu)用板單元模擬，縱骨、肋骨等加強筋用梁單元模擬。

材料特性參數(shù)為:彈性模量2.06×105MPa，泊松比 0.3，密度 7.85 t/m3，重力加速度 9.81 m/s2。駁船有限元模型如圖1所示。

圖1 駁船有限元模型示意圖

1.2 邊界條件

計算時應(yīng)按結(jié)構(gòu)受力變形及對稱性確定邊界條件，不能處理為全自由結(jié)構(gòu)。為最大限度減少對全船及相應(yīng)結(jié)構(gòu)的影響，要對其線位移以及角位移進(jìn)行有效的約束，本文采用約束掉距基線4.4 m的平面內(nèi)節(jié)點的所有線位移和角位移的方法。詳細(xì)邊界條件見表1。

表1 邊界條件

1.3 計算工況及載荷

1.3.1 綁扎方案的選擇

綁扎方案如圖2～圖8(包含工況1～工況3):鋼沉井外側(cè)用8根鋼絲繩，內(nèi)側(cè)用4根鋼絲繩固定。

圖2 綁扎俯視圖(單位:m)

圖3 工況1綁扎橫剖面圖(單位:m)

圖4 工況一綁扎側(cè)視圖(單位:m)

圖5 工況2綁扎橫剖面圖(單位:m)

1.3.2 根據(jù)綁扎方案求得鋼繩拉力

根據(jù)《內(nèi)河包裝運輸危險貨物積載和系固手冊編制指南》(以下簡稱“指南”)第3章“堆裝與系固”計算貨物質(zhì)心水平分力NY、垂向分力NZ。具體公式如下:

圖6 工況2綁扎側(cè)視圖(單位:m)

圖7 工況3綁扎橫剖面圖(單位:m)

圖8 工況3綁扎側(cè)視圖(單位:m)

式中:NY為貨物單元質(zhì)心在水平方向上所受到的合力，kN;NZ為貨物單元質(zhì)心在垂向方向上所受到的合力，kN;G為貨物重量，kN;Φm為駁船橫搖角，°;φm為船舶縱搖角，°;Zm為垂蕩幅值，m;TΦ為橫搖周期，s;Tφ為縱搖周期，s;TZ為垂蕩周期，s;Xc為貨物單元質(zhì)心沿縱向距船舶縱搖中心的距離，m;Yc為貨物單元質(zhì)心沿橫向距船舶橫搖中心的距離，m;Zc為貨物單元質(zhì)心沿垂向距船舶橫搖中心的距離，m。

由于貨物移動時會受到甲板對貨物的摩擦力，因此求鋼繩分力時要減去貨物的最大靜摩擦力fm。fm=μN，N=G+NZ＞G，fm＞μG，為安全考慮取 fm=μG。其中:μ為鋼與鋼接觸的靜摩擦系數(shù)，取0.1。根據(jù)“指南”求得貨物所受水平力及垂向力后可得到鋼絲繩總水平分力，最后根據(jù)具體綁扎方案經(jīng)計算可得到各工況下每根鋼絲繩受力大小，見表2。

表2 鋼絲繩拉力分配表

1.3.3 模型的加載

由表2可以看出，載荷施加采用集中力的方式，力的大小見表2中最大拉力一列所示，方向為沿著鋼絲繩長度方向，位置為鋼絲繩與船體交匯節(jié)點處。

1.4 求解

利用有限元軟件MSC/NASTRAN進(jìn)行有限元強度計算，應(yīng)力評估范圍為甲板駁距基線4.4 m平面以上所有船體構(gòu)件。3種工況下應(yīng)力最大位置都出現(xiàn)在甲板上，大小分別為 25.2、13.8、20.9 MPa。另外，3種工況下大部分區(qū)域應(yīng)力分布云圖看出，甲板以外的其他區(qū)域應(yīng)力遠(yuǎn)小于甲板處，各部分的強度還有相當(dāng)一部分富裕。

2 計算結(jié)果與許用值比較

本船采用低碳鋼(Mild)，其材料換算系數(shù)K為1.0。許用彎曲應(yīng)力根據(jù)“指南”規(guī)定，主要構(gòu)件彎曲應(yīng)力為有限元計算結(jié)果。兩者對比結(jié)果見表3。

表3 有限元計算結(jié)果與許用應(yīng)力對比表

3 結(jié)語

從有限元計算結(jié)果可以看出，98 m鋼沉井運輸駁船結(jié)構(gòu)強度不僅滿足了規(guī)范的要求，而且還出現(xiàn)了較大的富裕，強度過剩的部位如:艙壁、扶強材等可適當(dāng)減小厚度或尺寸，從而可以達(dá)到節(jié)省鋼材，減輕船舶自重，提高載貨量的目的，進(jìn)而提高該船的經(jīng)濟(jì)性。此外，還可以看出，本文中并未出現(xiàn)十分明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力都出現(xiàn)在甲板上，大小僅為25.2 MPa，遠(yuǎn)小于規(guī)范許用應(yīng)力值。因此，依據(jù)“指南”確定的綁扎方案還是較為合理的，并不會導(dǎo)致過于明顯的應(yīng)力集中，只要確保鋼絲繩本身不會斷裂，用于運輸?shù)拇敖Y(jié)構(gòu)強度可以滿足要求的。

［1］ 陳鐵云，陳伯真.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1984.

［2］ 王杰德，楊永謙，等.船體強度與結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1995.

［3］ 趙經(jīng)文，王宏鈺.結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.

U661.43

A

2015-02-10

余鴻(1965—)，男，工程師，主要從事船舶建造工作;蔡曉梅(1966—)，女，高級工程師，從事船舶設(shè)計工作。