殷曉劍，程國祥，陸新林

（泰州市開發(fā)區(qū)祥峰船舶技術(shù)咨詢有限公司，江蘇泰州 225350）

350 t拼裝式浮箱工程船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究

殷曉劍，程國祥，陸新林

（泰州市開發(fā)區(qū)祥峰船舶技術(shù)咨詢有限公司，江蘇泰州 225350）

利用大型商用有限元軟件MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN對(duì)350 t拼裝式浮箱工程船主船體總縱強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，通過有限元建模、邊界條件處理、載荷施加等過程，分析該船的總縱強(qiáng)度。通過總縱強(qiáng)度計(jì)算得到螺栓連接處的力來計(jì)算螺栓連接處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在不滿足規(guī)范要求的前提下提出加強(qiáng)措施，使結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算值小于許用值，提高整船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并滿足規(guī)范要求。

浮箱工程船；組合式；總縱強(qiáng)度；螺栓

0 引言

350 t拼裝式浮箱工程船為非自航拼裝式浮箱工程船，設(shè)計(jì)額定起吊能力為350 t。作業(yè)航區(qū)為內(nèi)河 A級(jí)，在調(diào)遣避風(fēng)時(shí)應(yīng)將扒桿及變幅桿倒置在甲板上。350 t拼裝式浮箱工程船在作業(yè)時(shí)首尾均拼裝有浮箱，其中首部4只，尾部2只。350 t拼裝式浮箱工程船起重形式采用縱向扒桿形式，扒桿設(shè)于船體首部，主扒桿長度為40 m，甲板處扒桿支點(diǎn)間距5.60 m；扒桿后設(shè)有變幅桿，長度24 m，甲板處變幅桿支點(diǎn)間距3.00 m。扒桿為固定式，船中后甲板室前設(shè)置 2只千斤柱。主浮箱之間縱向采用螺栓連接，并在連接端設(shè)有分體連接工作艙，分體連接工作艙端壁水密；主浮箱之間以及主浮箱與邊浮箱橫向連接采用銷軸連接，連接位置均處于空載水線以上，連接完成后安裝密封罩殼確保水密[1]（見圖1）。

1 總縱強(qiáng)度校核

1.1 有限元模型

由于350 t拼裝式浮箱工程船采取浮箱組合而成，計(jì)算船體強(qiáng)度的時(shí)候不能像普通船舶一樣采取艙段建模。為了能更好地反映整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，特別是連接部位的強(qiáng)度，本文有限元建模采用整船建模。而整船三維有限元模型應(yīng)包括主船體范圍內(nèi)的所有縱向受力構(gòu)件，如船底結(jié)構(gòu)、舷側(cè)結(jié)構(gòu)、甲板結(jié)構(gòu)中板材和縱桁。模型中應(yīng)包括橫向主要構(gòu)件，如橫艙壁、船底肋板、甲板強(qiáng)橫梁、舷側(cè)強(qiáng)肋骨以及艙壁豎桁等。局部支撐構(gòu)件還應(yīng)包括支柱或是斜撐等，同時(shí)也包括浮箱連接部位的螺栓，而肘板等不計(jì)入模型[2]（見圖2和圖3）。

1.2 邊界條件

通常做線性靜力分析需要保證結(jié)構(gòu)沒有剛體位移，否則求解器沒有辦法計(jì)算。但是船舶在碼頭或是航行（物體整體具有加速度）時(shí)，要想計(jì)算結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布，需要采用慣性釋放（inertia relief），在結(jié)構(gòu)上施加一個(gè)虛假的約束反力來保證結(jié)構(gòu)上合力的平衡[3]。具體見圖4。

1.3 載荷施加

按照穩(wěn)性計(jì)算書的要求，同時(shí)考慮波浪對(duì)船體的影響，全船主要工況分為4種。具體如下：

1）作業(yè)工況1：壓載水艙滿載，吊重350 t，扒桿與甲板夾角60°，全部燃料備品（波谷位于船中）；

2）作業(yè)工況2：壓載水艙滿載，吊重350 t，扒桿與甲板夾角60°，全部燃料備品（波峰位于船中）；

3）作業(yè)工況3：壓載水艙滿載，吊重350 t，扒桿與甲板夾角70°，全部燃料備品（波谷位于船中）；

4）作業(yè)工況4：壓載水艙滿載，吊重350 t，扒桿與甲板夾角70°，全部燃料備品（波峰位于船中）。

有限元模型的載荷應(yīng)包括三個(gè)方面，如舷外水壓力、貨物重量，結(jié)構(gòu)自重等。滿載時(shí)根據(jù)計(jì)算工況船舶處于平衡狀態(tài)時(shí)的設(shè)計(jì)波波面（包括中拱波面和中垂波面）確定計(jì)策點(diǎn)處的水壓力。按壓力分布施加到模型的濕表面各單元上。波浪取余弦波。波長等于船長，波高h(yuǎn)e按以下公式來計(jì)算：

式中，he為波高，m；L為船長，L=46 m；αw為系數(shù)，αw=1（A級(jí)航區(qū)）。

所以，

半波高為1.23 m。

以工況1為例，見圖5和圖6。

1.4 計(jì)算結(jié)果

本文以350 t拼裝式浮箱工程船為研究對(duì)象，通過全船有限元直接計(jì)算，校核其強(qiáng)度，確定組合船舶是否滿足要求。在全船有限元模型建立時(shí)對(duì)工程船扒桿和桅桿底部也建立有限元模型。不同工況下的計(jì)算結(jié)果見表1。以工況1為例的計(jì)算云圖見圖7～圖18。

表1 各構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算匯總表

通過全船有限元計(jì)算分析，甲板、船底板、舷側(cè)外板和內(nèi)部各構(gòu)件的計(jì)算值均小于許用值。強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。通過圖7～圖18云圖可知，整船結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比較集中，主要出現(xiàn)在扒桿的底部區(qū)域。從表1中可知，波峰狀態(tài)下的工況要比波谷狀態(tài)要大，說明總縱強(qiáng)度分析的時(shí)候船舶載荷比較集中，在艙中部的載荷比較小，主要出現(xiàn)在首部區(qū)域，極容易發(fā)生中拱彎曲，因此在實(shí)際裝載過程中適當(dāng)在中間施加一定載荷。

2 螺栓連接強(qiáng)度校核

主浮箱之間縱向采用螺栓連接，并在連接端設(shè)有分體連接工作艙，分體連接工作艙端壁水密；主浮箱之間以及主浮箱與邊浮箱間的橫向連接采用銷軸連接，連接位置均處于空載水線以上，連接完成后安裝密封罩殼確保水密。

2.1 螺栓受力計(jì)算

計(jì)算出各種工況下螺栓的連接力，匯總見表2。

表2 螺栓的最大連接匯總

有限元建模的分析主要參考《船舶與海上設(shè)施起重規(guī)范》（2007）中的表述來進(jìn)行。由于主浮箱與首后浮箱螺栓連接位置出現(xiàn)較大應(yīng)力，所以選取該部位為計(jì)算的局部模型。建模過程中選取沿主浮箱船長方向#66～#92，首前浮箱船長方向#72～#92，沿寬度方向?yàn)樵摯∠湫蛯?，沿高度方向?yàn)楦∠湫蜕睿ㄒ妶D19）。

針對(duì)局部模型設(shè)置邊界條件的時(shí)候主要針對(duì)模型的前后艙壁、模型兩側(cè)以及模型下端等部位進(jìn)行施加。施加主要考慮3個(gè)線位移和3個(gè)角位移。前后艙壁主要考慮x方向線位移和y、z方向角位移；模型左右兩側(cè)主要考慮x、y、z方向線位移；模型下方主要考慮y方向線位移和x方向角位移。詳細(xì)的邊界條件見表 3[4]，施加內(nèi)容見圖20。

表3 邊界條件

2.2 載荷加載

加載位置考慮為螺栓連接處。結(jié)合前面計(jì)算結(jié)果可得連接部位上下螺栓 3個(gè)方向上的連接力，見表4和圖21。

表4 主浮箱螺栓連接處受力

2.3 計(jì)算結(jié)果

本節(jié)以350 t拼裝式浮箱工程船的螺栓連接為研究對(duì)象，通過局部有限元直接計(jì)算，校核其強(qiáng)度，確定螺栓連接強(qiáng)度是否滿足要求。通過計(jì)算，各構(gòu)件的應(yīng)力結(jié)果見表5。

通過有限元計(jì)算分析，甲板相當(dāng)應(yīng)力大于許用值，可見螺栓連接處的局部強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求。在分析局部強(qiáng)度時(shí)，載荷施加的力主要通過前面總縱強(qiáng)度的計(jì)算得到螺栓的三個(gè)方向的力進(jìn)行施加，比較準(zhǔn)確地得出螺栓上真實(shí)的力的大小。由于浮箱之間的螺栓連接結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可以采取適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，進(jìn)而使得局部強(qiáng)度能夠滿足規(guī)范要求。

表5 各構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算匯總表

3 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的螺栓連接強(qiáng)度分析

3.1 加強(qiáng)措施

350 t拼裝式浮箱工程船螺栓是該浮箱之間連接最主要的直接受載區(qū)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接關(guān)系到船舶的安全性。同時(shí)前節(jié)計(jì)算分析時(shí)得出該處局部強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求。因此，必須對(duì)螺栓連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行必要的加強(qiáng)，現(xiàn)提出如下加強(qiáng)方案來改善該處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并修改原有的建模，進(jìn)而評(píng)估局部強(qiáng)度。改善措施：對(duì)連接部位舷側(cè)外板和甲板的螺栓加厚2 mm；螺栓直徑由原來的φ150 mm變?yōu)棣?00 mm。具體施加措施見圖22。

3.2 計(jì)算結(jié)果

本節(jié)以350 t拼裝式浮箱工程船的螺栓連接為研究對(duì)象，通過改進(jìn)后的局部結(jié)構(gòu)有限元直接計(jì)算，校核其強(qiáng)度，確定螺栓連接強(qiáng)度是否滿足要求。通過計(jì)算，各構(gòu)件的應(yīng)力結(jié)果見表6。

4 結(jié)論

本文利用大型商用有限元軟件MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN對(duì)350 t拼裝式浮箱工程船主船體總縱強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，通過總縱強(qiáng)度計(jì)算得到螺栓連接處的力來計(jì)算螺栓連接處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在不滿足規(guī)范要求的前提下提出加強(qiáng)措施。

主要結(jié)論如下：

1）通過對(duì)350 t拼裝式浮箱工程船進(jìn)行全船有限元計(jì)算分析，甲板、船底板、舷側(cè)外板和內(nèi)部各構(gòu)件的計(jì)算值均小于許用值。總縱強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。整船結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比較集中，主要出現(xiàn)在扒桿的底部區(qū)域。

2）由表 1可見，波峰狀態(tài)下的工況要比波谷狀態(tài)要大，說明總縱強(qiáng)度分析的時(shí)候船舶載荷比較集中，在艙中部的載荷比較小，主要出現(xiàn)在首部區(qū)域，極容易發(fā)生中拱彎曲，因此在實(shí)際裝載過程中適當(dāng)在中間施加一定載荷。

3）在分析螺栓連接強(qiáng)度時(shí)，采用MPC對(duì)主浮箱與主浮箱進(jìn)行連接。比較真實(shí)地反映浮箱之間的連接形式。

4）在分析螺栓連接強(qiáng)度時(shí)，最初甲板的相當(dāng)應(yīng)力計(jì)算值要大于許用值，螺栓局部強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求。通過對(duì)連接部位舷側(cè)外板和甲板的螺栓加厚2 mm和螺栓直徑由原來的φ150 mm變?yōu)棣?00 mm后，甲板的相當(dāng)應(yīng)力計(jì)算值有所減小，計(jì)算值均小于許用應(yīng)力?？梢娐菟ㄟB接處的局部強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。由于浮箱之間的螺栓連接結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可以進(jìn)一步采取加強(qiáng)措施進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，進(jìn)而提高整船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

表6 改進(jìn)后的各構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算匯總表

[1]吳仁元.船體結(jié)構(gòu)[M].北京: 國防工業(yè)出版社, 1986.

[2]張少雄, 張延輝.8 000 t級(jí)海推船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算[J].中國水運(yùn), 2006(2): 46-47.

[3]張少雄, 楊永謙.慣性釋放油船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算中的應(yīng)用[J].船海工程, 2004(3): 4-6.

[4]張永昌.MSCNASTRAN有限元分析理論基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京: 科學(xué)出版社, 2004.

Study on Structural Strength of 350 t Combined Pontoon Engineering Ship

Yin Xiaojian, Cheng Guoxiang, Lu Xinlin
(Taizhou Xiang-Feng Shipping Technology Consulting Co., Ltd., Jiangsu Taizhou 225350, China)

Using the large commercial finite element software MSC/PATRAN and MSC/NASTRAN, the finite element analysis is carried out on the ship hull longitudinal strength of 350 t combined pontoon engineering ship.The total longitudinal strength is analyzed through the process of FE modeling, dealing with boundary condition and bearing load.The structural strength of the bolt joint is calculated by gaining the force of the bolt joint through the calculation of the total longitudinal strength.Under the premise of not meeting the requirements of the standard, the paper puts forward the strengthening measures to make sure that the final structure stress is less than the allowable value, which can improve the overall longitudinal strength of the ship as well as meet the standard requirements.

pontoon engineering ship; combined; total longitudinal strength; bolt

U661.43

A

10.14141/j.31-1981.2017.01.005

殷曉劍（1983—），男，本科，研究方向：船舶設(shè)計(jì)。