王英 陳麗珍 楊麗娟

（海裝裝備項目管理中心、廣船國際技術(shù)中心）

關(guān)鍵字：有限元計算；橫梁開孔；粗網(wǎng)格；細(xì)網(wǎng)格

0 前言

從建造客滾船的經(jīng)驗來看，為合理布置管子、電纜等就必須在甲板橫梁上開設(shè)大量的尺寸較大的通孔，這對甲板橫梁的剪切、彎曲等強度影響都很大。如果將開孔設(shè)置問題全部留到后期生產(chǎn)設(shè)計的分段結(jié)構(gòu)協(xié)議階段再去解決，這會造成很被動的局面，其一是需要針對這些開孔進(jìn)行有限元計算，二是之后還要再次進(jìn)行圖紙送退審工作，此過程周期很長，將嚴(yán)重影響后期的生產(chǎn)設(shè)計的展開。此外這些協(xié)議開孔，以及對某些不符合強度要求的開孔進(jìn)行加強都會引起大量的結(jié)構(gòu)修改，大大增加后期生產(chǎn)設(shè)計工作的工作量。公司在建造某型豪華客滾船中發(fā)生的數(shù)量龐大的、與開孔有關(guān)的現(xiàn)場指示單及改圖通知單就是很典型的例子。

為解決上述問題，在詳細(xì)設(shè)計階段就應(yīng)該深入介入客滾船甲板橫梁開孔問題。通過與舾裝工程部協(xié)商，在當(dāng)前階段的條件下，充分考慮舾裝布置需求，并兼顧船體強度要求，對設(shè)計公司提供的橫梁開孔形式進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計出符合要求的最大化的橫梁開孔，而后通過有限元計算分析，對橫梁開孔進(jìn)行強度分析，將研究成果體現(xiàn)在詳細(xì)設(shè)計的船體結(jié)構(gòu)圖上，并取得相關(guān)方認(rèn)可。

本文主要介紹某型客滾船各層甲板強橫梁開孔強度計算方法和過程分析。

1 橫梁開孔有限元計算

某型客滾船主要用于短途國際水域航行(不含美國水域),可載600 名乘客和62 名船員。在夏季載重線吃水7.0m,海水密度1.025t/m3 的條件下，載重噸最小為11950t。該船總長約230m，規(guī)范船長217.94m，型寬（含護(hù)舷材）31.6m，3 甲板（艙壁甲板）型高度9.85 m，5 甲板（貨艙甲板）型高度15.925 m，7 甲板（登乘甲板）型高度21.775 m，設(shè)計吃水6.80 m，夏季載重線吃水7.00 m，結(jié)構(gòu)吃水7.10m。

1.1 粗網(wǎng)格建模

首先通過MSC.PATRAN 和LR SHIPRIGHT 有限元軟件，對某型客滾船的粗網(wǎng)格模型的UPRIGHT工況受力情況采取有限元的方式進(jìn)行模擬。粗網(wǎng)格模型中，全船的所有主要結(jié)構(gòu)全部建模，甲板、外板、縱橫艙壁、平臺以及各主要支撐構(gòu)件（桁材）腹板等均采用2D 板單元(SHELL)，骨材、加強筋和面板等構(gòu)件采用1D 梁單元(BEAM/BAR)，一些非常小的結(jié)構(gòu)，且對計算結(jié)果無明顯影響的不建模，比如骨材端肘板等。網(wǎng)格劃分按骨材間距進(jìn)行，單元尺寸約800X695 毫米，模型視圖見圖1。

圖1 全船模型視圖

圖2 LR 規(guī)范對垂向加速度的要求

模型坐標(biāo)系原點位于船舶艉垂線FR0 的中心點，其X 軸沿船舯縱線指向艏，Y 軸沿船寬方向指向左舷側(cè)，Z 軸沿船高度方向從船舶底部基線開始向上。

結(jié)構(gòu)材料采用A/AH36 等規(guī)格鋼材，計算時取材料的物理特性參數(shù)如下：

彈性模量E=2.06X105N/mm2

表1 載荷分布表

圖3 LC1_UDL_D5_AV 工況載荷

圖4 LC1-UDL-SUPERSTRUCTRUE 工況載荷

圖5 模型的邊界條件視圖

泊松比μ=0.3

密度ρ=7.85 t/m3

1.2 模型載荷

從本船裝載手冊中篩選出了如表1 中所示各甲板載荷的UPRIGHT 工況，并按工況要求對模型分別進(jìn)行加載。這些工況中，部分包含了規(guī)范規(guī)定的動載荷，而動載荷的選取是根據(jù)LR 客滾船主要結(jié)構(gòu)直接計算規(guī)范的要求進(jìn)行的沿船長分布的垂向加速度計算，具體要求見圖2。

本文僅列舉了典型的對主船體五甲橫梁進(jìn)行校核的LC1_UDL_D5_AV 工況載荷及對上建橫梁進(jìn)行校核的LC1-UDL-SUPERSTRUCTRUE 工況載荷，分別見圖3 和圖4 所示。

1.3 模型邊界條件

在甲板面的所有連接點限制產(chǎn)生位移，端部節(jié)點約束X、Y、Z 三個方向的平動自由，具體情況見圖5。

1.4 模型橫梁開孔細(xì)網(wǎng)格結(jié)果

在進(jìn)行完各工況的加載計算后，我們根據(jù)粗網(wǎng)格結(jié)果對部分篩選出來的強橫梁開孔進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化分析計算，涵蓋了骨材貫穿孔、圓孔、長圓孔等常見橫梁開孔及優(yōu)化后的上建十甲、十一甲橫梁的異形孔，細(xì)網(wǎng)格計算單元尺寸約50x50mm，在部分貫穿孔處還采用了更小的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。另外，車輛甲板（三甲、五甲、七甲）下橫梁，在粗網(wǎng)格工況下增加了考慮輪印載荷為集中力作用于橫梁的工況。在本船有限元計算分析過程中對主船體的三甲，五甲，七甲，坡道，以及上建十甲，十一甲，十二甲篩選出的強橫梁均進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化分析計算，以下選取較典型的主船體五甲下FR96 橫梁，以及上建十甲下FR132 橫梁的計算結(jié)果，見圖6 至圖10 所示。

圖6 FR96 五甲下橫梁靜載荷工況應(yīng)力云圖

圖7 FR96 五甲下橫梁動載荷下工況應(yīng)力云圖

圖8 FR96五甲下橫梁靜載荷下輪印載荷工況應(yīng)力云圖

圖9 FR96五甲下橫梁動載荷下輪印載荷工況應(yīng)力云圖

圖10 FR132 十甲下橫梁UPRIGHT 工況應(yīng)力云圖

圖11 原橫梁開孔與異形孔示意

1.5 計算衡準(zhǔn)

細(xì)網(wǎng)格在粗網(wǎng)格范圍屈服衡準(zhǔn)為333MPA，細(xì)網(wǎng)格在150*150 范圍屈服衡準(zhǔn)為426MPA。通過對子模型細(xì)網(wǎng)格計算驗證后，發(fā)現(xiàn)橫梁開孔均滿足許用衡準(zhǔn)要求，計算結(jié)果已反饋并送審船檢，之后也已取得船檢認(rèn)可，證明各橫梁開孔設(shè)計符合規(guī)范要求。

2 成果分析

通過以上計算完成了某型客滾船甲板橫梁開孔的強度分析及優(yōu)化，掌握了LR 船級社相關(guān)工況加載計算的流程及方法，熟悉了該項目有限元計算分析工作的原理，對后續(xù)類似船型，及結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計起到一定借鑒參考的作用。

通過有限元計算方法分析了某型船甲板橫梁開孔的強度并進(jìn)行了優(yōu)化，在滿足強度要求的前提下，向設(shè)計公司提出將中剖面圖中橫梁上的某些開孔規(guī)格加大，特別提出將上建十甲板及十一甲板橫梁的開孔由長圓孔優(yōu)化修改為能提供更多開孔面積的異形孔，提供了較好的舾裝電纜、管子等的布置空間。原橫梁長圓開孔與異形孔對比見圖11 所示。

在施工建造方面，經(jīng)與各施工單位調(diào)研，現(xiàn)場單位反映該項技術(shù)的實施效果良好，給現(xiàn)場施工提供了良好的施工環(huán)境，減少了后續(xù)開孔打磨作業(yè)的修改量，與以往的作業(yè)方法相比較可節(jié)省較多材料，保證了電纜及管附件安裝的完整性，其美觀度也有較好的提升，為整個區(qū)域完整性提供了較好的作業(yè)基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

在某型客滾船設(shè)計中，首次根據(jù)LR 的相關(guān)規(guī)范完成了客滾船橫梁開孔的有限元計算并取得了船級社認(rèn)可，填補了相關(guān)方面的空白，取得了技術(shù)上的突破，船東代表、船級社都有較高的認(rèn)同度，現(xiàn)場施工也取得比較滿意的效果。同時，此項技術(shù)可推廣應(yīng)用到類似船型，如輔助船、補給船、特種運輸及特種工程船舶設(shè)計建造過程中，合理的布局舾裝及管線工程，在實現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)輕量化，確保結(jié)構(gòu)強度的同時，可兼顧舾裝工程、背景工程一體化的技術(shù)狀態(tài)有機結(jié)合。