，

(華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院 武漢，430074)

實(shí)船桅桿結(jié)構(gòu)前期的簡(jiǎn)化對(duì)桅桿性能研究起著至關(guān)重要的作用。一方面，簡(jiǎn)化后的模型需要與實(shí)船桅桿的振動(dòng)、強(qiáng)度等結(jié)構(gòu)性能基本保持一致；另一方面，簡(jiǎn)化后的模型影響著縮尺模型的制作，包括焊接工時(shí)、制作成本和施工工藝等因素。本文首先基于圖紙建立完整的實(shí)船桅桿結(jié)構(gòu)有限元模型，然后從振動(dòng)和剛度兩個(gè)方面對(duì)比簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的有限元模型與原型,分析簡(jiǎn)化的可行性，最后考慮縮尺模型焊接局限對(duì)分層甲板間的艙室隔板進(jìn)行等效簡(jiǎn)化。

1 實(shí)船桅桿結(jié)構(gòu)的仿真

1)桅桿結(jié)構(gòu)包括大桅主體、小桅、橫桁以及圍住大桅的01～05甲板。其中大桅為薄壁筒形結(jié)構(gòu)，主體內(nèi)部有分層甲板和艙室隔板；05甲板以上的分層甲板、小桅和橫桁有各種設(shè)備安裝其上；01～05甲板之間布置有艙室隔板；大桅焊接在01甲板上。其中02甲板的范圍為Fr101-Fr158,03甲板范圍為Fr103-Fr158，04甲板范圍為Fr104-Fr142，05甲板范圍為Fr106-Fr141。桅桿結(jié)構(gòu)在01甲板下Fr121和Fr143分別設(shè)有橫艙壁。

2)基于Patran軟件[1]建立實(shí)船桅桿有限元模型，坐標(biāo)系采用右手坐標(biāo)系的總體坐標(biāo)系，其中x軸正方向指向船艉，y軸正方向指向右舷，z軸正方向垂直向上。單元類型中板單元模擬桅桿結(jié)構(gòu)的甲板板、舷側(cè)板、艙室隔板、桅桿圍板、桅桿內(nèi)部分層甲板、小桅板、橫桁板，以及起加強(qiáng)作用的肘板等結(jié)構(gòu)；梁?jiǎn)卧M甲板縱骨、甲板縱桁、甲板橫骨、甲板強(qiáng)橫梁、舷側(cè)肋骨、強(qiáng)肋骨、大桅圍板和艙室隔板的加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)；質(zhì)量單元用于模擬安裝在小桅、橫桁、大桅內(nèi)部甲板以及桅桿圍板上的設(shè)備。桅桿結(jié)構(gòu)的邊界條件[2]為01甲板邊界以及在肋位Fr121和Fr143處取為簡(jiǎn)支。見圖1。

圖1 實(shí)船桅桿有限元模型

3)為了使簡(jiǎn)化后的模型有參照標(biāo)準(zhǔn)，振動(dòng)[3-4]方面采用實(shí)船桅桿結(jié)構(gòu)(桅桿原型)整體一階橫向振動(dòng)、整體一階縱向振動(dòng)、整體一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以及平臺(tái)振動(dòng)的模態(tài)和振型，見圖2，表1。

表1 桅桿原型的振動(dòng)頻率 Hz

圖2 桅桿原型一階橫向振動(dòng)f=12.616 Hz

通過在07甲板和桅桿頂板各節(jié)點(diǎn)處分別沿x方向和y方向施加10 kN的力，求得對(duì)應(yīng)方向的整體位移進(jìn)而可以求得模型分別在x方向和y方向的結(jié)構(gòu)剛度[5-6](以下簡(jiǎn)化模型也采用相同的方法)。見圖3、表2。

圖3 桅桿原型在頂板處位移x=3.104 mm

位移/mmxy剛度/(N·mm-1)xy3.1043.8633 157.2162 536.888

2 桅桿結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化

2.1 艉段甲板

基于大桅一邊界在01甲板底下即肋位Fr143設(shè)有一道橫艙壁，理論上使得Fr143肋位后的甲板對(duì)桅桿結(jié)構(gòu)影響甚小，因此簡(jiǎn)化肋位Fr143-Fr158艉段甲板結(jié)構(gòu)，從振動(dòng)和結(jié)構(gòu)剛度兩方面與桅桿原型對(duì)比,見圖4、表3、4。

從表3、4分析，簡(jiǎn)化肋位Fr143-Fr158艉段甲板后其結(jié)構(gòu)性能和桅桿原型相差極小，基本可以忽略不計(jì)，因此簡(jiǎn)化肋位Fr143～Fr158艉段甲板是可行的。

圖4 簡(jiǎn)化艉段甲板后的有限元模型

表4 簡(jiǎn)化艉段甲板模型與桅桿原型結(jié)構(gòu)剛度對(duì)比

2.2 分層甲板

簡(jiǎn)化后的模型有02～05共4層甲板?？紤]以后縮尺模型的制作，在不影響桅桿整體結(jié)構(gòu)性能的前提下盡量簡(jiǎn)化模型，因此討論4層甲板簡(jiǎn)化的可行性。共建立4個(gè)模型即大桅主體(包括小桅和橫桁)+01甲板、大桅主體+01～02甲板、大桅主體+01～03甲板以及大桅主體+01～04甲板，同樣從振動(dòng)及結(jié)構(gòu)剛度兩方面與桅桿原型對(duì)比(鑒于圖數(shù)量較多，只顯示了各分層甲板的有限元模型圖，而省略了其對(duì)應(yīng)的振型圖和位移圖)。見圖5～8及表5～12。

圖5 模型1：大桅主體+01甲板

表6 模型1與桅桿原型結(jié)構(gòu)剛度對(duì)比

圖6 模型2：大桅主體+01～02甲板

表8 模型2與桅桿原型結(jié)構(gòu)剛度對(duì)比

圖7 模型3：大桅主體+01～03甲板

表10 模型3與桅桿原型結(jié)構(gòu)剛度對(duì)比

圖8 模型4：大桅主體+01～04甲板

表12 模型4與桅桿原型結(jié)構(gòu)剛度對(duì)比

由表3～12可見，振動(dòng)方面，對(duì)于整體振動(dòng)，隨著分層甲板的增多，振動(dòng)頻率在增大，而與桅桿原型比較的誤差也在減?。粚?duì)于局部平臺(tái)振動(dòng)，各模型相對(duì)原型誤差都比較小；結(jié)構(gòu)剛度方面，隨著分層甲板的增多，桅桿結(jié)構(gòu)x方向和y方向的結(jié)構(gòu)剛度相比原型的誤差在減小。以上兩方面說明外圍分層甲板對(duì)于桅桿結(jié)構(gòu)性能至關(guān)重要，每層都需要予以保留。

2.3 外圍甲板艙室隔板

01～05甲板每?jī)蓪又g的層高為2.45 m，艙室隔板縱橫交錯(cuò)布置在其中，根據(jù)合同確定縮尺比為1∶6，縮尺模型的層高為0.4 m，這樣狹窄的空間不利于艙室隔板的焊接作業(yè)。為了分析艙室隔板保留的必要性，建立01～05甲板無艙室隔板有限元模型，從振動(dòng)和剛度兩方面與桅桿原型對(duì)比，見圖9、表13～14。

圖9 01～05甲板無艙室隔板有限元模型

表14 無艙室隔板模型與桅桿原型結(jié)構(gòu)剛度對(duì)比

由表13、14可見，無艙室隔板模型與桅桿原型的振動(dòng)和結(jié)構(gòu)剛度相差較大，誤差20%～30%，說明艙室隔板對(duì)桅桿結(jié)構(gòu)性能影響作用比較大，艙室隔板同樣也需要保留而不能被簡(jiǎn)化掉。

2.4 外圍甲板艙室隔板的等效簡(jiǎn)化

原方案確定的縮尺比縮尺模型每層甲板之間高度為0.4 m，甲板之間的艙室隔板縱橫交錯(cuò)，有些部位無法施焊，這樣會(huì)影響桅桿模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了解決此問題，將艙室隔板簡(jiǎn)化成“JHJ”字形，原則為簡(jiǎn)化前后縱向和橫向艙室隔板的長度相等，見圖10、11。

圖10 等效前01～02甲板間艙室隔板

圖11 等效后01～02甲板間艙室隔板

表16 等效艙室隔板模型與桅桿原型結(jié)構(gòu)剛度對(duì)比

分析表15、16可見，等效艙室隔板模型與桅桿原型的振動(dòng)和結(jié)構(gòu)剛度相差都比較小，說明等效艙室隔板對(duì)桅桿原型的結(jié)構(gòu)性能影響很小，認(rèn)為等效簡(jiǎn)化艙室隔板是可行的。

3 結(jié)論

1)作為桅桿(大桅)邊界條件的橫艙壁，從很大程度上決定了桅桿縮尺模型的縱向長度。大桅的后端生根在肋位Fr143，而此位置甲板底部剛好為橫艙壁。簡(jiǎn)化肋位Fr143以后的結(jié)構(gòu)對(duì)桅桿的結(jié)構(gòu)性能影響極小，可以忽略不計(jì)，從而使得肋位Fr143最終作為桅桿縮尺模型的邊界，由此決定桅桿縮尺模型的長度。

2)桅桿結(jié)構(gòu)的外圍分層甲板以及甲板之間的艙室隔板對(duì)桅桿結(jié)構(gòu)性能的影響很大，在前期簡(jiǎn)化過程中此結(jié)構(gòu)必不可少。

3)考慮制作縮尺模型時(shí)的焊接局限性等效簡(jiǎn)化外圍分層甲板間的艙室隔板是可行的。等效簡(jiǎn)化后的艙室隔板模型與桅桿原型結(jié)構(gòu)性能基本一致，從而證明了等效簡(jiǎn)化的可行性，并且方便了縮尺模型的焊接作業(yè)，也為減少焊接工時(shí)創(chuàng)造了條件。

[1] 龍 凱，賈長治，李寶峰.Patran 2010與Nastran 2010有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 肖 亮,夏利娟，金咸定.桅桿振動(dòng)計(jì)算邊界條件研究[J].船舶工程，2005,27(4):45-48.

[3] 金咸定，趙德有.船體振動(dòng)學(xué)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

[4] 郎濟(jì)才, 姚熊亮，邵長青.船舶筒狀桅桿的模態(tài)分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2006,28(4):26-28.

[5] 張圣坤，韓繼文，汪庠寶.船舶計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1995.

[6] 陳煒然,陳志堅(jiān).船體結(jié)構(gòu)剛度對(duì)桅桿振動(dòng)特性的影響及控制[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,15(6):75-77.