湯 婧, 韓晨健

(1.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 舟山 316000；2.中國船級(jí)社舟山辦事處,浙江 舟山 316000)

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基于有限元法的船體吊耳數(shù)值仿真計(jì)算

湯 婧1, 韓晨健2

(1.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 舟山 316000；2.中國船級(jí)社舟山辦事處,浙江 舟山 316000)

吊耳是分段吊運(yùn)和翻身的主要工具，為保證分段吊運(yùn)過程中的安全，通常使用有限元計(jì)算方法對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。對(duì)比采用不同加載方法時(shí)計(jì)算結(jié)果的差異，提出減化載荷的有限元計(jì)算法，用于提高吊耳設(shè)計(jì)的校核效率。

吊耳;有限元;強(qiáng)度;載荷

0 引 言

吊耳是分段吊運(yùn)和翻身的主要工具，其形式、尺寸及承載能力一般根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。在選擇吊裝方案時(shí)，可采用不同的方法對(duì)吊耳的強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，通常使用有限元計(jì)算法和理論計(jì)算法。這里主要研究幾種用于某船分段吊運(yùn)時(shí)吊耳強(qiáng)度計(jì)算的有限元計(jì)算法[1]和理論計(jì)算法[2]，并在此基礎(chǔ)上提出簡(jiǎn)化載荷的有限元計(jì)算法，分析有限元計(jì)算過程中吊耳所受載荷的大小、范圍和形式，用于指導(dǎo)吊耳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 船體分段吊耳的工程應(yīng)用

吊耳的類型有很多，可根據(jù)使用環(huán)境的不同分為安裝吊耳、運(yùn)輸?shù)醵推鸬醯醵?類；可根據(jù)設(shè)計(jì)樣式的不同分為A型、B型、C型和D型等4類。每種類型的吊耳外形不同，適用對(duì)象也不相同。在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)吊耳的實(shí)際起吊能力，可在查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后對(duì)吊耳的尺寸進(jìn)行選擇，確保吊耳與分段匹配。

在設(shè)計(jì)吊耳時(shí)，需注意保證吊耳布置的位置、分段的重心位置和吊耳布置的中心盡量重合，起吊后能大大增強(qiáng)分段的穩(wěn)定性，保證施工安全。估算分段重心須在設(shè)計(jì)吊耳前完成。在無余量造船中，分段的質(zhì)量早已不僅僅是鋼材質(zhì)量，還包括焊接質(zhì)量、舾裝質(zhì)量、管系質(zhì)量和腳手架質(zhì)量等。尤其是管系質(zhì)量，極大地改變了原有分段的質(zhì)量和重心位置。目前，一些較大的船廠已能在生產(chǎn)設(shè)計(jì)中通過軟件模擬分段來確定其質(zhì)量和重心位置，數(shù)據(jù)較為精確。此外，在設(shè)計(jì)中還要注意控制吊耳間距，過小會(huì)導(dǎo)致起吊時(shí)分段發(fā)生晃動(dòng)，加大控制操作難度；過大則會(huì)減小鋼絲繩和水平面的夾角，導(dǎo)致鋼絲繩的受力過大而要求起吊長(zhǎng)度更長(zhǎng)。

圖1 吊耳的反面加強(qiáng)

在安裝吊耳的過程中，必須根據(jù)吊環(huán)的安裝布置圖進(jìn)行施工，不得隨意安裝或改變吊環(huán)角度?？v向翻身吊環(huán)安裝時(shí)必須垂直于橫剖面，橫向翻身吊環(huán)安裝時(shí)必須垂直于縱剖面,一般布置在對(duì)稱中心的強(qiáng)肋位上。若吊耳反面的結(jié)構(gòu)較弱，強(qiáng)度達(dá)不到要求，則需對(duì)吊耳反面的結(jié)構(gòu)加短橫梁或肘板(見圖1)，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，防止吊運(yùn)過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或損壞。

2 分段吊耳計(jì)算

分段吊耳設(shè)計(jì)完成后，必須再次對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。因?yàn)樗玫膰鴺?biāo)尺寸都是根據(jù)平吊狀態(tài)設(shè)計(jì)的,當(dāng)?shù)醵芰Σ淮怪?，如在分段翻身時(shí)，根據(jù)翻身的角度和速度，吊耳會(huì)承受更大的載荷。因此,在設(shè)計(jì)階段必須對(duì)分段吊耳的強(qiáng)度進(jìn)行校核，掌握應(yīng)力在結(jié)構(gòu)中的分布情況，以保證作業(yè)的安全。以某船分段為例，對(duì)其吊耳進(jìn)行強(qiáng)度校核方法的研究。

2.1 分段吊耳的設(shè)計(jì)

吊耳的允許負(fù)荷可按式(1)[3]計(jì)算

(1)

式(1)中：P為吊耳允許負(fù)荷；W為分段總質(zhì)量(包括臨時(shí)加強(qiáng)等)；C為不平均受力系數(shù)，取1.5～2.0；n為同時(shí)受力的吊環(huán)數(shù)。

該分段的總重約為94.0 t，考慮到分段翻身工況及所確定吊耳的數(shù)量,計(jì)算得到允許負(fù)荷為:起吊時(shí)23.5 t;翻身時(shí)47.0 t。若選用D型吊耳，則選擇50.0 t載荷的D型吊耳6只。所選吊耳的尺寸見表1,吊耳在現(xiàn)場(chǎng)的安裝位置見圖2(b)。

表1 所選吊耳的尺寸

a) 表1中字符表征值示意

b) 分段吊耳的安裝示意

圖2 吊耳的具體參數(shù)及安裝位置

2.2 局部強(qiáng)度的不同計(jì)算方法

2.2.1 理論計(jì)算法

考慮到吊耳在翻身時(shí)所承受的載荷較大，需對(duì)該工況下吊耳的強(qiáng)度是否滿足要求進(jìn)行校核。由《船體工藝手冊(cè)》[4]可知,當(dāng)?shù)醵鷥H受垂向載荷時(shí)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可按式(2)進(jìn)行計(jì)算和校核。

(2)

(3)

根據(jù)所選D型吊耳的尺寸規(guī)格,計(jì)算其所受應(yīng)力為σ=56 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

由式(3)可計(jì)算出吊耳的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求?？紤]到吊耳的截面處所受的剪應(yīng)力較大，而剪應(yīng)力也是引起吊耳結(jié)構(gòu)失效的主要因素，必須對(duì)其剪切強(qiáng)度進(jìn)行校核,公式為

(4)

2.2.2 有限元接觸算法

在實(shí)際分段吊裝過程中，吊索一般通過插銷與吊耳連接，吊耳內(nèi)表面與插銷接觸過程中的應(yīng)力分布比較復(fù)雜，一般采用接觸算法來模擬插銷與吊耳承壓面的應(yīng)力[5-7]。

接觸問題在有限元分析中屬于非線性問題，因?yàn)椴邃N與吊耳內(nèi)表面接觸過程中接觸面積的變化，導(dǎo)致產(chǎn)生的接觸壓力是非線性的。由于該類接觸問題中也存在摩擦力，因此采用有限元接觸分析法來計(jì)算該分段所用吊耳的應(yīng)力和變形。

根據(jù)所確定的吊耳尺寸建立有限元模型，吊耳材料采用Q235鋼，摩擦因數(shù)取0.1，接觸方式采用面面接觸，吊耳孔內(nèi)壁為目標(biāo)單元，插銷為接觸單元。建立吊耳與插銷的接觸計(jì)算模型(見圖3)，吊耳承受的力P=470kN，吊耳計(jì)算結(jié)果見圖4～圖6。需說明的是，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，吊耳與船體結(jié)構(gòu)的連接采用的是開雙面坡口全焊透的形式，且焊腳高度較大，焊縫區(qū)域的強(qiáng)度往往比吊耳本身更大，焊縫質(zhì)量不在考慮范圍之內(nèi)，吊耳底部與分段連接處位置采用全約束模式進(jìn)行模擬。

圖3 吊耳的接觸計(jì)算模型圖

圖4 吊耳的剪應(yīng)力云圖

圖5 吊耳最大應(yīng)力云圖

圖6 吊耳的位移云圖

運(yùn)用接觸算法計(jì)算得到吊耳的應(yīng)力和位移值(見表2)。由應(yīng)力云圖和計(jì)算結(jié)果可知,吊耳上半圓的接觸面所受應(yīng)力及插銷與吊耳孔接觸表面的剪應(yīng)力較大，且吊耳孔內(nèi)最大的應(yīng)力產(chǎn)生在約30°和150°的位置。通過對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的受力情況進(jìn)行分析可知，吊耳孔與插銷接觸面的垂向受力分布近似呈正弦曲線，在邊緣位置最大162.0 MPa，向內(nèi)逐漸減小為108.0 MPa。在插銷和吊耳板表面也存在剪切應(yīng)力，分布特征同最大應(yīng)力。

表2 接觸方法結(jié)果

2.2.3 簡(jiǎn)化載荷有限元算法

圖7 有限元中垂向作用力示意圖

若采用接觸算法,通常在建模和定義接觸時(shí)比較復(fù)雜，不僅要考慮接觸方式和接觸時(shí)間，還要考慮接觸面和摩擦等問題。因此,工程上常采用簡(jiǎn)化處理的方式將工程中實(shí)際的接觸問題簡(jiǎn)化為靜態(tài)的有限元問題來分析計(jì)算。在吊耳的承壓面上建立空間場(chǎng)，并用函數(shù)表示節(jié)點(diǎn)上力的作用;根據(jù)接觸計(jì)算所得吊耳孔受力的分布情況，將所受的垂向力簡(jiǎn)化為半圓的函數(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)所受力的大小根據(jù)角度計(jì)算出來，這樣能反映出實(shí)際結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的分布情況，所有節(jié)點(diǎn)的合力等于吊耳設(shè)計(jì)時(shí)所承受的載荷。載荷的作用范圍為吊耳孔的上半圓表面。

有限元中垂向作用力的示意(見圖7)。

垂向加載的函數(shù)表達(dá)式為

(5)

(6)

式(5)和式(6)中:R為圓的半徑；θ為接觸點(diǎn)的角度；P為吊耳所受的合力,這里為470 kN。

表3 有限元計(jì)算值

2.3 吊耳局部強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

采用理論計(jì)算方法得到的吊耳應(yīng)力值與其實(shí)際應(yīng)力分布相比較小，采用該方法不能得到吊裝過程中實(shí)際的應(yīng)力或剪力的分布情況。

由接觸應(yīng)力計(jì)算可知吊耳孔內(nèi)壁的應(yīng)力分布情況，吊耳頂部的應(yīng)力值最大。最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊耳與鋼索接觸面的前后邊緣位置是由于該位置存在沒有過渡的直角，而鋼索在載荷作用下發(fā)生形變，將載荷傳遞至邊緣產(chǎn)生應(yīng)力。在接觸面頂部,應(yīng)力從邊緣向內(nèi)逐漸減小，呈拋物線分布，大小在108.0～126.0 MPa。

由于在簡(jiǎn)化載荷模型中并未考慮該邊緣效應(yīng)，載荷是平均加在每個(gè)單元上的，因此受到的是一個(gè)恒力的作用。而校核吊耳的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要是考慮整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足要求，邊緣效應(yīng)一般通過倒角等工藝手段消除，因此反映到整體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力和位移的變化情況都是與接觸算法相一致的。作為替代補(bǔ)充，該簡(jiǎn)化載荷的有限元計(jì)算方法可應(yīng)用于吊耳設(shè)計(jì)初期的強(qiáng)度校核，用以掌握吊耳整體的應(yīng)力和位移分布變化情況。

圖8 有限元計(jì)算模型

圖9 吊耳的Von Mises應(yīng)力云圖

圖10 吊耳的剪應(yīng)力云圖

圖11 吊耳的位移云圖

3 結(jié) 語

從吊耳的工程應(yīng)用出發(fā)，圍繞設(shè)計(jì)、取型、制作和安裝等4個(gè)階段闡述了吊耳在生產(chǎn)工藝中的技術(shù)要求;以某分段為例，依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算選取了合適的吊耳;使用理論計(jì)算和有限元的方法對(duì)該吊耳的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了校核，并引申出一種簡(jiǎn)化載荷的有限元計(jì)算方法;對(duì)比分析了2種載荷施加方法計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)和解釋了接觸算法下吊耳與吊索接觸位置應(yīng)力集中的邊緣效應(yīng)，提出了工藝補(bǔ)償方法。同時(shí)，驗(yàn)證了運(yùn)用簡(jiǎn)化載荷的有限元計(jì)算方法得到的計(jì)算結(jié)果能反映出吊耳在吊裝過程中的整體應(yīng)力情況;提出的該簡(jiǎn)化計(jì)算方法可用于指導(dǎo)吊耳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在吊耳設(shè)計(jì)階段應(yīng)用可降低計(jì)算的時(shí)間成本。

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Numerical Simulation of Block Hanger with Finite Element Analysis

TANG Jing1， HAN Chenjian2

(1.ZhejiangInternationalMaritimeCollege,Zhoushan316000，China；2.ChinaClassificationSociety,Zhoushan316000,China)

The hanger set is the main device for hull block erection and tuning over. The structure strength of the hanger set is usually checked with the finite element analysis so as to ensure the safety when lifting the block. This paper performs both calculations and simulations to investigate the stressing status of the hangers under different loading patterns. A method to simplify load input is suggested to reduce the time for the hunger design.

hanger; finite element; strength; load

2016-04-25

湯 婧(1988—)，女,湖北武漢人,助教,碩士,主要從事船舶與海洋工程研究工作。

1674-5949(2016)03-0042-05

U671.4

A