(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

鏈斗式挖沙船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析

喻霽朱顯玲

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

鏈斗式挖沙船是一種新興的內(nèi)河工程船，該船具有超長(zhǎng)開口，故其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算。本文采用大型有限元計(jì)算軟件MSC.Patran & Nastran 進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)該種船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一種有效的解決方案。

有限元;鏈斗式挖沙船;雙體船網(wǎng)格細(xì)化

目前國(guó)內(nèi)內(nèi)河市場(chǎng)對(duì)鏈斗式挖沙船的需求正不斷增長(zhǎng)，這種新興的工程船舶工作效率高，但因?yàn)槠洳捎妙愃齐p體船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，沒有形成完整的箱型梁結(jié)構(gòu)，故檢驗(yàn)其總體強(qiáng)度能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求已成為船舶送審設(shè)計(jì)工作中最重要的一環(huán)。由于此類船舶誕生不久，相應(yīng)的船舶規(guī)范不完善，常常要求采用有限元計(jì)算軟件來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。本文采用通用大型有限元計(jì)算軟件MSC.Patran & Nastran進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算[1]，并根據(jù)不同時(shí)期的船舶規(guī)范進(jìn)行分析，為此類船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一種較合理的解決方案。

1 以雙體船為參考的計(jì)算模型

在2016年之前，中國(guó)船級(jí)社的內(nèi)河船舶建造規(guī)范里，關(guān)于鏈斗式挖沙船只有簡(jiǎn)單的計(jì)算公式，并沒有有限元計(jì)算的明確規(guī)定[2]，因?yàn)榇祟惔斑€屬于新興船型，筆者參與的武漢船院船舶系的橫向課題：雙燃料系統(tǒng)38 m鏈斗式挖沙船技術(shù)設(shè)計(jì)，為湖北省地區(qū)第一條雙燃料鏈斗式挖沙船，于2015年底完成送審工作。由于相關(guān)的參考案例很少，又沒有對(duì)應(yīng)的規(guī)范，經(jīng)過(guò)和武漢海事局的船檢人員討論后，決定采用雙體船的計(jì)算要求來(lái)校核，將船尾無(wú)開口處的結(jié)構(gòu)看做連接橋，用有限元軟件來(lái)計(jì)算總縱強(qiáng)度、橫向強(qiáng)度及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，由于篇幅有限，此處只介紹橫向強(qiáng)度的計(jì)算。

1.1 船舶參數(shù)

研究對(duì)象為：38 m雙燃料鏈斗式挖沙船，其船型參數(shù)如表1。

表1 船型參數(shù)

1.2 船舶有限元模型

根據(jù)規(guī)范要求，進(jìn)行全船板梁組合有限元建模，如圖1所示，采用坐標(biāo)系如下：

船長(zhǎng)： X 首部為正

船寬： Y 左舷為正

型深： Z 甲板為正

圖1 38 m鏈斗式挖沙船整體模型

1.3 計(jì)算模型邊界條件

根據(jù)2014年的內(nèi)河船舶建造規(guī)范對(duì)于雙體船舶的直接計(jì)算要求，邊界條件如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型邊界條件

在縱中剖面首尾端取A點(diǎn)和B點(diǎn)，一端舷側(cè)中部取C點(diǎn)，在A點(diǎn)約束x，y，z三個(gè)方向的線位移，在B點(diǎn)約束y，z方向的線位移，在C點(diǎn)約束z方向的線位移。

1.4 計(jì)算載荷計(jì)算與施加方法

按內(nèi)規(guī)要求，將鋼料重量以密度的方式施加在模型上，舾裝及機(jī)電重量以均布載荷的方式施加在對(duì)應(yīng)位置，同時(shí)，雙體船連接橋垂向剪力按下式計(jì)算：

式中：Mbx—連接橋總橫彎矩，KN·m;Z—橫向?qū)﹂_力施加點(diǎn)至連接橋中縱剖面中和軸的垂向距離,取0.95 m；n—片體施加橫向?qū)﹂_力的強(qiáng)框架總數(shù)。

其中連接橋總橫彎矩按下式計(jì)算：

616.268kN·m

式中：Δ—雙體船排水量，根據(jù)靜水力計(jì)算書，本船的Δ=314.102 t;bc—任一片體中心線距至連接橋計(jì)算剖面的距離，取2.00 m；s—航區(qū)系數(shù)，按規(guī)范選取，本船航區(qū)為C級(jí)航區(qū)，取10.0。

將計(jì)算得到的對(duì)開力施加到橫向強(qiáng)框架內(nèi)側(cè)舭部的節(jié)點(diǎn)上，如圖3所示。

圖3 計(jì)算應(yīng)力云圖及分析

1.5 計(jì)算應(yīng)力云圖及分析

全船計(jì)算應(yīng)力云圖(部分)如圖4所示，可以看到，在連接橋處的應(yīng)力較大，這和實(shí)際情況是吻合的，但縱艙壁和連接橋的角隅處的應(yīng)力集中現(xiàn)象沒有得到體現(xiàn)，且由于鏈斗式沙船的連接橋并沒有貫穿首尾，主要集中在尾部，造成艏部應(yīng)力過(guò)大。同時(shí)也沒有考慮波浪載荷的影響，與實(shí)際情況有所差距。

圖4 38 m鏈斗式挖泥船應(yīng)力云圖

2 2016年新規(guī)范頒布以后的計(jì)算模型

由于鏈斗式挖沙船的需求不斷增加，中國(guó)船級(jí)社于2016年修改了內(nèi)河鋼制船舶建造規(guī)范，在船體部分第十章增加了附錄二，明確了此類船舶的直接計(jì)算方法，要求采用有限元計(jì)算總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度[3]。這里主要介紹局部強(qiáng)度的計(jì)算。

2.1 船舶參數(shù)

研究對(duì)象為：39.8 m鏈斗式挖沙船，其船型參數(shù)如表2。

表2 船型參數(shù)

2.2 船舶有限元模型

在2016的新規(guī)范中，進(jìn)行全船板梁組合有限元建模，如圖5所示。

圖5 39.8 m鏈斗式挖沙船整體模型

要求對(duì)開槽端壁和開槽縱壁連接區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，細(xì)化網(wǎng)格尺寸不大于50 mm×50 mm，網(wǎng)格劃分使細(xì)化區(qū)域向粗網(wǎng)格區(qū)域平穩(wěn)過(guò)渡，如圖6所示。

圖6 開槽處模型網(wǎng)格細(xì)化

2.3 計(jì)算模型邊界條件

在尾部臨近橫端壁的橫向強(qiáng)框架平面各節(jié)點(diǎn)施加全位移約束，即Ux=Uy=Uz=0, θx=θy=θz. 如圖7所示。

圖7 局部強(qiáng)度計(jì)算邊界條件

2.4 載荷計(jì)算與施加方法

按內(nèi)規(guī)附錄二要求，計(jì)算時(shí)應(yīng)使開槽區(qū)左右邊浮艙處于如下狀態(tài)：

(1)左舷邊浮艙落在半個(gè)余弦波長(zhǎng)上(余弦波波高取1.5 m)，其尾端(開槽橫端壁處)位于波谷，首端(艏封板)位于波峰。

(2)右舷邊浮艙落在半個(gè)余弦波長(zhǎng)上(余弦波波高取1.5 m)，其尾端(開槽橫端壁處)位于波峰，首端(艏封板)位于波谷。

2.5 計(jì)算應(yīng)力云圖及分析

從計(jì)算云圖可以看到，主要校核的區(qū)域是開槽端部，而越靠近開槽處的應(yīng)力也是越大，這和實(shí)際情況完全一致。

圖8 39.8 m鏈斗式挖泥船應(yīng)力云圖

同時(shí)由于開槽端部采取細(xì)網(wǎng)格處理，使得應(yīng)力集中的現(xiàn)象得到了模擬，如圖9所示，且載荷以波浪的形式施加，和現(xiàn)實(shí)情況吻合，所以我們可以明顯地看到，在最新規(guī)范修訂過(guò)后，該船型的結(jié)構(gòu)計(jì)算更加的貼近實(shí)際，更加準(zhǔn)確。

圖9 網(wǎng)格細(xì)化區(qū)域應(yīng)力云圖

3 結(jié) 語(yǔ)

鏈斗式挖沙船作為一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程船，不僅對(duì)設(shè)計(jì)者，就是對(duì)于規(guī)范制定者的船級(jí)社來(lái)說(shuō)，要合理地評(píng)估其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都是很困難的一件事，任何新船型誕生后，都需要船檢和設(shè)計(jì)部門共同努力，不斷探索，不斷修正，才能得到一套比較完善的計(jì)算方案。筆者參與了多條鏈斗式挖沙船的結(jié)構(gòu)計(jì)算工作，切身感覺到該船結(jié)構(gòu)計(jì)算要求不斷提高，可以預(yù)見將來(lái)該船型的計(jì)算方法還會(huì)有所改變。

1 劉兵山．Patran從入門到精通[M]．中國(guó)水利水電出版社，2003：31-60.

2 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范2014綜合文本[P].中國(guó).2014.

(責(zé)任編輯：譚銀元)

StructuralStrengthAnalysisandResearchoftheChainBucketDredger

YUJi，ZHUXian-ling

(Wuhan institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050,China)

The chain bucket dredger is a new kind of inland river engineering ship. The ship has long openings, so its structural strength needs to be calculated by computer aided engineering. In this paper, large-scale finite element calculation software MSC.Patran & Nastran are used for strength check, and an effective solution was provided for the ship structure designing.

finite element method; chain bucket dredging ship; catamaran mesh refinement

2017-02-07

喻 霽，男，講師，主要從事船舶制造與維修方面的教學(xué)和科研工作。

U674.3

A

1671-8100(2017)02-0017-03