勞卓文+石國(guó)權(quán)+汪勇

摘 要：港作拖輪的拖樁結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，按照力學(xué)公式計(jì)算其應(yīng)力比較困難，本文通過(guò)實(shí)例介紹基于仿真有限元方法對(duì)港作拖輪拖樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和校核的過(guò)程。

關(guān)鍵詞：港作拖輪；拖樁；仿真有限元；強(qiáng)度校核

中圖分類號(hào)：U674.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： It is difficult to calculate the stress of towing post and its supporting structures of a harbor tug by the method of mechanics formula because they withstand the complex forces at the towing operation. This paper introduces the structural analysis and checking for the towing post and its supporting structure based on finite element simulation through an example.

Key words： Harbor tug； Towing post； Finite element simulation； Strength checking

1 前言

隨著海洋作業(yè)的發(fā)展，船舶在不斷加巨，進(jìn)出港時(shí)對(duì)港作拖輪的拖力要求也越來(lái)越大。港作拖輪的拖力需求由十幾年前的40 t提升到今天的80 t，甚至100 t的拖力。隨之，對(duì)于拖曳設(shè)備和其支承結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求也越來(lái)越高，通過(guò)有限元仿真分析來(lái)獲得拖曳支承結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，對(duì)于結(jié)構(gòu)的合理布置與優(yōu)化是十分必要的。

本文結(jié)合實(shí)例介紹通過(guò)基于仿真有限元平臺(tái)分析靜力結(jié)構(gòu)來(lái)獲得應(yīng)力分布結(jié)果的方法和過(guò)程，實(shí)船是一艘入級(jí)LR船級(jí)社的25 m ASD港作拖輪，船主需求其向前的最大系柱拖力為75 t。根據(jù)LR船級(jí)社規(guī)范的要求，拖樁必須能承受拖鉤的破斷負(fù)荷而不被破壞。

2 基本假定

為完成結(jié)構(gòu)的分析，我們作以下幾點(diǎn)假定：

（1）薄壁殼板假定 （平面應(yīng)力假定）

當(dāng)鋼板材料用于結(jié)構(gòu)構(gòu)造時(shí)，它的厚度遠(yuǎn)薄于其他的尺寸，而且也沒(méi)有遭受到垂直于板面的負(fù)荷時(shí)，這些結(jié)構(gòu)大體上可以被當(dāng)作薄壁殼板處理。在分析模型里，對(duì)所有的支撐結(jié)構(gòu)一般都應(yīng)用為2D薄壁殼單元，但當(dāng)薄壁殼板假定理論不適用（板厚相對(duì)不夠薄時(shí)）的結(jié)構(gòu)部位將會(huì)采用3D單元代替。

（2）次要的扶強(qiáng)材和肘板

在模型中省略那些對(duì)于應(yīng)力傳遞影響較小的扶強(qiáng)材和肘板，但對(duì)于關(guān)鍵位置的扶強(qiáng)材和肘板不能省略，否則會(huì)影響應(yīng)力分布的結(jié)果。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷

根據(jù)LR船級(jí)社關(guān)于拖曳系統(tǒng)支承結(jié)構(gòu)的的規(guī)定，采用225 t設(shè)計(jì)載荷（3倍于系柱拖力）來(lái)分析拖樁的結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗械慕Y(jié)構(gòu)都是線性彈性材料，在分析應(yīng)力結(jié)果時(shí)可以按照線性比例的方法得出結(jié)構(gòu)可以承受的最大載荷。

（4）節(jié)點(diǎn)的連接

應(yīng)力結(jié)果不涉及焊縫強(qiáng)度方面的分析，因?yàn)樗械慕Y(jié)構(gòu)都是采用粘貼的方式或節(jié)點(diǎn)共享的方式連接所有的零件間的節(jié)點(diǎn)，零件間有足夠的焊縫強(qiáng)度。

（5）受力載況的設(shè)定

按照拖曳布置圖和實(shí)際的使用情況，由于篇幅問(wèn)題，本文只介紹拖纜力作用在方向向后一種受力載況。

3 實(shí)例分析

現(xiàn)簡(jiǎn)述基于仿真有限元平臺(tái)分析拖樁結(jié)構(gòu)，按照以下幾個(gè)步驟進(jìn)行。

3.1 建立結(jié)構(gòu)模型

在模型里，所有零件都按照設(shè)計(jì)圖的結(jié)構(gòu)尺寸由薄壁殼板建立，而后再指定厚度屬性（相同的板厚使用相同的顏色表示）。其中管樁的薄壁殼板按照外徑建立，其厚度指向向內(nèi)。

3.2 指派結(jié)構(gòu)材料屬性

拖樁支承結(jié)構(gòu)由3種不同的材料組成：為A級(jí)鋼、AH32高強(qiáng)鋼和355 Mpa高強(qiáng)結(jié)構(gòu)管，所有材料的屬性參照LR船級(jí)社的材料與焊接規(guī)范。在計(jì)算模型里，將統(tǒng)一指派A級(jí)鋼的材料屬性給所有的結(jié)構(gòu)零件，但在驗(yàn)證最大應(yīng)力時(shí)則需要對(duì)應(yīng)各個(gè)材料的許用應(yīng)力。

3.3 取得許用應(yīng)力

根據(jù)LR船級(jí)社規(guī)范里關(guān)于拖曳支撐結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力規(guī)定如下：

各種材料許用應(yīng)力見表1。

3.4 模型的網(wǎng)格劃分

有限元模型中網(wǎng)格劃分分別采用了Shell181“4節(jié)點(diǎn)線性三角形”和“4節(jié)點(diǎn)線性四邊形”的殼單元，單元大小均約為50 mm，模型的網(wǎng)格劃分見圖4。

3.5 添加邊界約束

模型中的各個(gè)結(jié)構(gòu)邊界（包括圖中的支柱下端）均終止于與其他強(qiáng)力結(jié)構(gòu)的連接處，因此可以在這些地方分別添加簡(jiǎn)支邊界約束，約束邊界見圖5。

3.6 指派載荷

225 t載荷加載在拖鉤的兩個(gè)連接眼板上，這些眼板的銷孔之間需要預(yù)先添加插銷連接限位設(shè)定，見圖6、圖7。

3.7 結(jié)果分析

（1）結(jié)構(gòu)位移結(jié)果分析

結(jié)果顯示，最大的位移3.8 mm出現(xiàn)在拖樁結(jié)構(gòu)的頂部，由于目前對(duì)于結(jié)構(gòu)位移尚沒(méi)有嚴(yán)格的位移驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，所以此小范圍彈性位移的結(jié)果是可以接受的，見圖8。

（2）結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力結(jié)果分析

各種材料的等效應(yīng)力分析結(jié)果。在仿真有限元中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)少量的應(yīng)力非常高和集中的的點(diǎn)，這種現(xiàn)象被稱為應(yīng)力熱點(diǎn)效應(yīng)，如圖9～11所示，大家需要謹(jǐn)慎的把這些應(yīng)力熱點(diǎn)過(guò)濾掉，然后取得真實(shí)最大的應(yīng)力結(jié)果。

（3）校核驗(yàn)證

依照以上的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果（見表2），我們可以得出結(jié)論：該拖樁和其支承結(jié)構(gòu)在設(shè)定的受力載況下是安全的。

（4）小結(jié)

通過(guò)本文的例子，不難看出應(yīng)用仿真有限元分析后，對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布結(jié)果一目了然。針對(duì)應(yīng)力集中的地方進(jìn)行加強(qiáng)；或?qū)?yīng)力小的部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足船級(jí)社的要求下可適當(dāng)減小和節(jié)省材料。本文對(duì)于需要進(jìn)行其他位置的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析計(jì)算的，也有非常實(shí)用的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] Shigley， J.， Mischke， C.， and Budynas， R. Mechanical Engineering Design， Seventh Edition （2004）.

[2] Lloyds Register， Rules and Regulations for the Classification of Ships， July 2015.