劉玉超,任慧龍,呼文佳,劉劍飛,劉 浩,劉邦威
(哈爾濱工程大學(xué) a. 船舶工程學(xué)院;b. 船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)
在研究船舶總體強(qiáng)度的同時(shí),構(gòu)件的局部強(qiáng)度也不能忽視[1]。本文對某船的艉錨收放裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題進(jìn)行研究。目前,已有研究人員針對艉錨裝置開展相關(guān)研究工作。王佚等[2]采用2種加載方式對某浮吊錨機(jī)基座及相關(guān)船體結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算,并對采用這2種方法所得的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行對比分析;陳攀[3]建立某散貨船絞車與錨機(jī)基座及支撐基座的船體局部結(jié)構(gòu)有限元模型,根據(jù)規(guī)范對基座及船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接計(jì)算并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析;張?jiān)萚4]基于有限元模型研究某滾裝船錨機(jī)基座的局部強(qiáng)度,并為基座的設(shè)計(jì)提供參考。本文以艉錨收放裝置中的人字架結(jié)構(gòu)為研究對象,選取工作載荷工況(拉錨力為125kN)和極限載荷工況(拉錨力為240kN)2種結(jié)構(gòu)計(jì)算載荷工況,分別研究人字架結(jié)構(gòu)在這2種計(jì)算載荷工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;同時(shí),針對人字架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的問題,考慮結(jié)構(gòu)重量增加不宜過大的設(shè)計(jì)要求,分別給出2種計(jì)算載荷工況下人字架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
艉錨裝置總布置圖見圖1。艉錨裝置中人字架結(jié)構(gòu)的有限元模型采用殼單元毫米建模,結(jié)構(gòu)計(jì)算采用與之對應(yīng)的國際單位制,有限元網(wǎng)格的大小取為50mm×50mm。
圖1 艉錨裝置總布置圖
艉錨裝置中各部分結(jié)構(gòu)的材料均選用鋼材EH36,其參數(shù)見表1。
表1 鋼材EH36的參數(shù)
根據(jù)載荷方向示意(見圖2)確定艉錨裝置中人字架結(jié)構(gòu)在極限載荷工況(拉錨力為240kN)和工作載荷工況(拉錨力為125kN)下承受的各方向分力,其中:拉錨力作用方向的水平角A取為18°或-14°;俯視角B取為-10°。角度A示意見圖3,其中:角度A取方向1時(shí)為負(fù)值;角度A取方向2時(shí)為正值。
圖2 載荷方向示意
圖3 角度A示意
艉錨裝置錨鏈線出繩方向的計(jì)算載荷見表2,錨鏈線入繩方向的計(jì)算載荷見表3。
表2 艉錨裝置錨鏈線出繩方向的計(jì)算載荷
表3 艉錨裝置錨鏈線入繩方向的計(jì)算載荷
參照 HCSR[5]共同規(guī)范中船舶屈服強(qiáng)度評估的具體要求,評估艉錨裝置中人字架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估標(biāo)準(zhǔn)為
式(1)中:λy為屈服利用因子,對于板單元,;Ry為名義屈服應(yīng)力,取;k為材料系數(shù),本文取為0.72;σVM為Von Mises 應(yīng)力,?。沪襵和σy為單元正應(yīng)力,N/mm2;τxy為單元剪應(yīng)力,N/mm2;λyperm為粗網(wǎng)格的許用屈服利用因子,當(dāng)拉錨力取125kN時(shí)為0.8,當(dāng)拉錨力取240kN時(shí)為1.0。
在開展結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估之前,將艉錨裝置中人字架結(jié)構(gòu)的有限元模型由直立狀態(tài)調(diào)整到工作狀態(tài)(見圖4),人字架結(jié)構(gòu)示意見圖5。
圖4 艉錨裝置中人字架結(jié)構(gòu)有限元模型
圖5 人字架結(jié)構(gòu)示意
根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力形式和特點(diǎn),確定艉錨裝置中人字架結(jié)構(gòu)的邊界條件:在結(jié)構(gòu)2與結(jié)構(gòu)5接觸的銷孔內(nèi)表面位置設(shè)置剛性固定的邊界條件;在結(jié)構(gòu)2與結(jié)構(gòu)8的接觸位置設(shè)置僅限制z方向位移和轉(zhuǎn)角的邊界條件。
人字架結(jié)構(gòu)承受拉錨力的作用,其所承受的計(jì)算載荷具體見第2.2節(jié)。本文對艉錨裝置中的人字架結(jié)構(gòu)分別施加上述計(jì)算載荷,并外加結(jié)構(gòu)自身重量,取g=9.8m/s2。人字架結(jié)構(gòu)計(jì)算載荷的施加通過PATRAN軟件的MPC功能來實(shí)現(xiàn),其中:拉錨力的施加在MPC的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)(節(jié)點(diǎn)選為拉錨力的作用點(diǎn));節(jié)點(diǎn)選為結(jié)構(gòu)2與結(jié)構(gòu)1螺栓連接位置的各節(jié)點(diǎn)。
艉錨裝置中人字架結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度評估的結(jié)果表明:在125kN和240kN的拉錨力作用下,人字架結(jié)構(gòu)均無法滿足屈服強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度評估結(jié)果見表4。人字架結(jié)構(gòu)的Von Mises應(yīng)力云圖見圖6。
表4 人字架結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度評估結(jié)果
通過綜合分析可知:當(dāng)取A=-14°時(shí),人字架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題更為嚴(yán)重。因此,對于人字架結(jié)構(gòu)而言,可認(rèn)為A=-14°、B=-10°的計(jì)算工況為結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的作業(yè)工況,在結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算中,可僅研究該作業(yè)工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題。
由人字架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估結(jié)果可知:在125kN和240kN的拉錨力作用下,人字架結(jié)構(gòu)均不滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求,人字架結(jié)構(gòu)屈服破壞位置見圖7,具體為人字架結(jié)構(gòu)后側(cè)平板折角處。
圖6 人字架結(jié)構(gòu)的Von Mises應(yīng)力云圖(A=-14°)
圖7 人字架結(jié)構(gòu)屈服破壞位置
采用修改結(jié)構(gòu)形式與修改結(jié)構(gòu)板厚相結(jié)合的優(yōu)化方法,經(jīng)過多次計(jì)算,最終得到在 125kN拉錨力作用下人字架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。修改人字架結(jié)構(gòu)的局部結(jié)構(gòu)形式:連接結(jié)構(gòu)折角過渡位置上、下100mm處兩點(diǎn),取消折角過渡的結(jié)構(gòu)形式,具體見圖 8。修改人字架結(jié)構(gòu)板厚,具體見表 5。優(yōu)化設(shè)計(jì)后人字架結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度評估結(jié)果見表6。
圖8 125kN拉錨力下人字架結(jié)構(gòu)后部折角位置優(yōu)化示意
表5 125kN拉錨力下人字架結(jié)構(gòu)板厚優(yōu)化情況
表6 125kN拉錨力下優(yōu)化設(shè)計(jì)后人字架結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度評估結(jié)果
采用修改結(jié)構(gòu)形式與修改結(jié)構(gòu)板厚相結(jié)合的優(yōu)化方法,經(jīng)過多次計(jì)算,最終得到在240kN拉錨力作用下人字架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。修改人字架結(jié)構(gòu)的局部結(jié)構(gòu)形式:
1) 連接結(jié)構(gòu)折角過渡位置上、下150mm處兩點(diǎn),取消折角過渡的結(jié)構(gòu)形式,具體見圖9。
2) 增加連接人字架結(jié)構(gòu)靠近軸線一側(cè)的前后板的結(jié)構(gòu)板(板厚為8mm),具體位置為R30圓弧過渡處上、下150mm處。在新增結(jié)構(gòu)板的四角增設(shè)肘板,其中:靠近船首側(cè)位置的尺寸 為50mm×50mm×8mm;靠近船尾側(cè)靠下位置的尺寸為100mm×100mm×8mm,其余位置的尺寸均為50mm×50mm×8mm,具體見圖10。
圖9 240kN拉錨力下人字架結(jié)構(gòu)的后部折角位置優(yōu)化示意
圖10 人字架結(jié)構(gòu)前后板連接板的結(jié)構(gòu)示意(靠近船尾)
修改人字架結(jié)構(gòu)板厚,具體見表7。優(yōu)化設(shè)計(jì)后人字架結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度評估結(jié)果見表8。
表7 240kN拉錨力下人字架結(jié)構(gòu)板厚優(yōu)化情況
表8 240kN拉錨力下優(yōu)化設(shè)計(jì)后人字架結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度評估結(jié)果
本文分別對125kN和240kN拉錨力作用下的人字架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),具體見第4.1節(jié)和第4.2節(jié)??紤]結(jié)構(gòu)重量的設(shè)計(jì)要求,對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的重量變化進(jìn)行匯總,結(jié)果見表9。
表9 結(jié)構(gòu)重量變化值
通過分析,得到以下結(jié)論:
1) 當(dāng)取A=-14°時(shí),人字架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題更為嚴(yán)重。因此,對于人字架結(jié)構(gòu)而言,可認(rèn)為A=-14°、B=-10°的計(jì)算工況為結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的作業(yè)工況。
2) 對于人字架結(jié)構(gòu)而言,若僅需滿足125kN拉錨力作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求,采用第4.1節(jié)中給出的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案即可,但該優(yōu)化方案無法滿足極限拉錨力(240kN)作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。若結(jié)構(gòu)需滿足極限拉錨力(240kN)作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求,可采用第 4.2節(jié)中給出的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,此時(shí)結(jié)構(gòu)同樣滿足125kN拉錨力作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。
3) 考慮艉錨裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重量要求,在給出的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案中,新增結(jié)構(gòu)的尺寸和板厚、各結(jié)構(gòu)板的板厚均為最低要求。
4) 建議在設(shè)計(jì)時(shí)艉錨收放裝置中的人字架結(jié)構(gòu)不采用折角過渡形式,以滿足屈服強(qiáng)度評估要求。