高書清,陶延武
(1.泰州海清船舶技術(shù)有限公司, 江蘇 泰州 225300;2.江蘇科技大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212003)
37m黃河雙體渡船總強度有限元分析
高書清1,陶延武2
(1.泰州海清船舶技術(shù)有限公司, 江蘇 泰州 225300;2.江蘇科技大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212003)
雙體船在風(fēng)浪中航行時會遭受比較大的總橫彎矩和扭轉(zhuǎn)力矩的作用,為保證雙體船的安全性,有必要對其相關(guān)的強度進(jìn)行分析。依據(jù)中國船級社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009),采用有限元分析的直接計算法,對某雙體船的主船體及連接橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度評估。計算結(jié)果表明,該船的結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求,并通過相關(guān)分析對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提出建議。
雙體船;渡船;總橫強度;扭轉(zhuǎn)強度;有限元
雙體船是由2個相距一定距離的平行片體通過連接橋連接而成的特殊船體,具有甲板面積大,穩(wěn)性好等優(yōu)點[1]。因為雙體船的型寬相對單體船大,具有寬敞的艙室空間和較大的甲板面積,所以在客運業(yè)中具有突出的競爭優(yōu)勢,經(jīng)濟效益較高。另外,如果船型和雙體間距選擇合適,可使得雙體船相對于同用途單體船的興波阻力較小、航速較高[2]。本文研究的雙體船是黃河下游流域的雙體車客渡船,主要在浮橋拆除后用于車輛和行人在黃河兩岸的擺渡。
雙體船在風(fēng)浪中航行時,2個片體除了受到和單體船類似的總縱彎矩作用外,還受到巨大的橫向彎曲力矩以及作用在連接橋處的扭矩[3],這是由雙體船的結(jié)構(gòu)特點決定的。本文將采用有限元分析方法對雙體船的總橫強度及扭轉(zhuǎn)強度進(jìn)行分析計算。
本文計算采用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件MSC/PATRAN、NASTRAN,對37 m黃河雙體渡船的總橫強度及扭轉(zhuǎn)強度進(jìn)行校核評估。本船根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)(以下簡稱“規(guī)范”及《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2012修改通報)的要求進(jìn)行設(shè)計建造。雖然該規(guī)范關(guān)于連接橋設(shè)計的內(nèi)容很少,但規(guī)范要求需對雙體船在波浪中高速航行時的總橫強度和扭轉(zhuǎn)強度進(jìn)行校核[4]。
37 m黃河雙體渡船的主要參數(shù)如下:
總長
36.31 m
水線長
34.86 m
型寬
20.00 m
片體寬
6.40 m
連接橋?qū)?/p>
7.20 m
型深
2.20 m
設(shè)計吃水
1.20 m
空載吃水
0.90 m
肋距
0.50 m
滿載排水量
405.55 t
航速
16.50 km/h
航區(qū)
B(J2)級航區(qū)
本船選用的材料為碳素鋼,其泊松比為0.3,材料屈服強度為235 MPa,模量為2.06×105MPa,密度為7 850 kg/m3。
2.1結(jié)構(gòu)形式
本船采用橫骨架式單甲板結(jié)構(gòu),甲板以下共設(shè)6道水密艙壁。為加強雙體船的橫向和縱向強度,在連接橋底板與甲板之間采用縱向和橫向強力隔板對其進(jìn)行加強,并且連接橋縱向貫通整個船體。
2.2結(jié)構(gòu)模型
37 m黃河雙體渡船結(jié)構(gòu)模型縱向范圍為整個船長,橫向范圍為整個船寬,垂向為從基平面至主甲板。結(jié)構(gòu)模型取主甲板以下全船結(jié)構(gòu),左右對稱。模型舷側(cè)外板、連接橋甲板、連接橋底板、橫艙壁/隔板、強橫梁腹板、縱桁腹板以及其他強構(gòu)件腹板等全部采用三節(jié)點或者四節(jié)點的板單元進(jìn)行離散,用兩節(jié)點梁單元對其他加強筋和縱骨等普通構(gòu)件以及強構(gòu)件面板等進(jìn)行離散。37 m黃河雙體渡船結(jié)構(gòu)模型單元總數(shù)為50 446,節(jié)點總數(shù)為33 625。模型如圖1所示。
圖1 整體有限元模型(仰視圖)
3.1邊界條件
邊界條件設(shè)置依據(jù)“規(guī)范”第14.6.4節(jié)中要求的雙體船邊界條件對37 m黃河雙體渡船甲板以下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行總橫強度校核和扭轉(zhuǎn)強度校核,邊界條件如下:
(1)對雙體船總橫強度進(jìn)行校核時,可采用在其中一個片體的舭部節(jié)點上施加線位移約束:ux=uy=uz=0 ,在船底的構(gòu)件交叉節(jié)點上進(jìn)行線位移約束:ux=uz=0,ux、uy、uz分別為繞x、y、z3個方向的平動自由度。在另一個片體上施加垂向剪力,連接橋垂向剪力由“規(guī)范”第14.6.2.2節(jié)計算得出,該剪力均勻分布在連接橋強構(gòu)件與片體的縱剖面的交叉節(jié)點上??倷M強度校核的邊界條件如圖2所示。
圖2 總橫強度的邊界條件和載荷模型
(2)對雙體船扭轉(zhuǎn)強度進(jìn)行校核時,可在連接橋中心節(jié)點上施加全位移約束:ux=uy=uz=0,θx=θy=θz=0(以排除剛體位移),θx、θy、θz分別為繞x、y、z3個方向的旋轉(zhuǎn)自由度。由“規(guī)范”扭矩計算公式得到扭轉(zhuǎn)載荷,該載荷施加于雙體船的兩片體上。扭矩可施加在片體中縱剖面與船底強構(gòu)件的交叉節(jié)點上,沿船長施加大小相等的反對稱集中力,根據(jù)與扭矩值等效原則定垂向集中力的大小。將在過兩片體形心的縱向平面內(nèi)的各節(jié)點與在兩片體形心處建立獨立點進(jìn)行剛性關(guān)聯(lián),然后將相應(yīng)的扭矩或橫向彎矩作用施加這些剛性關(guān)聯(lián)點上。計算強度時的邊界條件設(shè)置如圖3所示。
3.2工況
根據(jù)規(guī)范要求,本船計算工況共分為2個:總橫彎曲強度計算工況(LCl)和扭轉(zhuǎn)強度計算工況(LC2)。
3.3載荷計算
3.3.1總橫彎矩
根據(jù)“規(guī)范”第14.6.2.1節(jié),37 m黃河雙體渡船的總橫彎矩大小可通過下式計算得到:
Mb=9.81Bc/s
式中:Mb為總橫彎矩,kN·m;為雙體船的排水量,=405.55 t;Bc為任一片體中心至連接橋校檢處的距離,Bc=6.8 m;s為航區(qū)系數(shù),s=9.0。
把上述數(shù)據(jù)代入后,Mb=3 005.94 kN·m。
3.3.2垂向剪力
根據(jù)“規(guī)范”第14.6.2.2節(jié),雙體船中縱剖面處連接橋的垂向剪力可根據(jù)下式得到:
Q=9.8/s
式中:Q為垂向剪力,kN。
數(shù)據(jù)代入后,Q=442.05 kN。
3.3.3橫向扭矩
根據(jù)“規(guī)范”第14.6.2.3節(jié),雙體船扭矩Mt可由下式得到:
式中:Mt為橫向扭矩,kN·m;b、b1分別為雙體船片體寬度和連接橋的寬度,b=6.4 m,b1=7.2 m;d為滿載吃水,d=1.2 m;r為計算半波高,r=0.75 m,L為船長,L=34 m;Ca為水線面修正系數(shù),按表1確定,通過插值法求得Ca=0.785。
代入數(shù)據(jù),Mt=6 135.18 kN·m。
有限元計算的應(yīng)力結(jié)果匯總見表2。表中:σe為板單元的中面相當(dāng)應(yīng)力;σx為強力甲板、船底板及舷側(cè)外板單元沿船長方向的中面應(yīng)力;σz為梁構(gòu)件單元節(jié)點合成應(yīng)力;τ為舷側(cè)外板或縱艙壁板的剪應(yīng)力。
表1 水線面修正系數(shù)
表2應(yīng)力結(jié)果匯總表MPa
構(gòu)件名稱載荷工況σe/σzσxτ計算值許用值計算值許用值計算值許用值片體外板LC141.019222.716522.891LC215.91925.221658.7291片體及連接橋甲板LC139.419213.016514.591LC212.71924.051654.1091連接橋底板LC156.619223.416528.491LC213.71923.511654.6491甲板縱桁LC144.518121.991LC25.591813.0891船底縱桁LC118.71818.7591LC27.171814.0691橫向艙壁、隔板和強框架LC112817668.0105LC226.617614.3105
37 m黃河雙體渡船的結(jié)構(gòu)模型在2種工況下的合成應(yīng)力云圖、船體變形云圖如圖4~圖7所示。
(1)由表3可得,本文的37 m黃河雙體渡船總橫強度和抗扭強度滿足規(guī)范要求。
(2)從總橫強度工況和扭轉(zhuǎn)強度工況校核的對比結(jié)果可以看出,對該雙體船船體強度影響較大的是總橫強度,僅施加扭轉(zhuǎn)彎矩的情況對雙體船結(jié)構(gòu)強度的影響較小,表明該雙體船具有足夠的扭轉(zhuǎn)強度儲備。
(3)綜合全船有限元應(yīng)力、應(yīng)變的結(jié)果可以看出,在橫向受力作用時,連接橋和橫向構(gòu)件受力較大,片體與連接橋連接部位的應(yīng)力較其他部位大。為避免應(yīng)力集中,應(yīng)該設(shè)置更多的加強肘板或者加大此處橫向構(gòu)件的板厚。
(4)扭轉(zhuǎn)工況下,在靠近船中部分的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和應(yīng)變很小,而連接橋靠近首部和尾部的應(yīng)力、應(yīng)變都較大,因此結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意連接橋首尾處的結(jié)構(gòu)加強。
圖4 船體結(jié)構(gòu)合成應(yīng)力云圖(LC1)
圖5 船體結(jié)構(gòu)合成應(yīng)力云圖(LC2)
圖6 船體變形云圖 (LC1)
圖7 船體變形云圖 (LC2)
[1]陳超核,楊永謙.有限元分析雙體船扭轉(zhuǎn)強度[J].海南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2000,18(2):126-130.
[2]吳先彪,熊云峰,駱婉珍,等.鋼制雙體客船結(jié)構(gòu)總強度有限元分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2014,36(5):31-35.
[3]馮堅,谷家揚.11.9 m雙體交通艇總強度有限元分析[J].江蘇船舶,2010,27(3):5-7,10.
[4]鄭杰,謝偉,駱偉,等.穿浪雙體船橫向強度與扭轉(zhuǎn)強度的有限元計算[J].中國艦船研究,2010,5(1):14-18.
[5]中國船級社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2009.
2014-08-27
高書清(1975-),男,助理工程師,主要從事船舶設(shè)計工作;陶延武(1990-),男,碩士研究生,研究方向為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)。
U661.43
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