拖樁結構選型的有限元應用

李小葉，程 祥

(江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

某多功能執法艇航行于內河B級航區，具有巡航、指揮、排檔、拖帶等多種功能。受航道的影響，該船吃水和船長受到限制。為了給舵機提供安裝空間，尾部甲板必須局部升高。滿足各項執法功能后，該船的拖樁只能布置在尾甲板的高度變化部分。由于拖樁結構形式比較特殊，為了確定其所受應力大小，采用有限元分析的方法，對其結構進行應力分析。

1 拖樁的結構設計

該船的拖樁布置如圖1所示。在拖樁結構設計過程中，有3種方案可供選擇。方案1，拖樁安裝在升高甲板上，不伸入主甲板;方案2，拖樁伸入主甲板下，與主甲板下的甲板縱桁連接;方案3，拖樁伸入主甲板下，與船底板及中內龍骨連接。詳細的結構如圖2～圖4所示。

圖1 拖樁布置圖

2 有限元應用于拖樁結構計算

以上3種設計方案中，拖樁及其連接構件的應力和變形情況有著很大的區別。為盡量真實反映拖樁及其連接構件的應力和變形情況，采用有限元法進行計算，為方案選擇提供依據。

2.1 有限元模型

(1)幾何模型建立

幾何模型的建立對于有限元計算來說是非常重要的。建立準確的幾何模型為建立良好的有限元模型提供了方便。根據結構詳圖，建立了甲板、橫梁、強橫梁、甲板縱桁，舷側板、肋骨、強肋骨，船底板、中內龍骨，拖樁立柱及橫桿等幾何模型。

(2)單元類型選取

單元是用來模擬研究對象物理特性的基本單位，單元類型的選取應符合物體的變形和受力特征。甲板板、舷側板、船底板采用板單元模擬;強橫梁腹板、甲板縱桁腹板、強肋骨腹板、中內龍骨腹板采用板單元模擬;拖樁立柱及橫桿采用板單元模擬;橫梁、肋骨采用梁單元模擬;強橫梁面板、甲板縱桁面 板、強肋骨面板、中內龍骨面板采用梁單元模擬。

(3)網格單元劃分

有限元通過劃分網格單元對整個模型進行離散處理。劃分網格后，原來的幾何模型將用眾多的物理單元來模擬。網格單元劃分質量的好壞直接影響到計算結果的精度。結構的網格劃分參照《鋼質內河船舶船體結構直接計算指南》(2002)中的相關規定:沿船長方向，每檔肋位劃分2個單元;沿船寬方向，劃分16個單元;沿型深方向，劃分4個單元。同時控制板單元的長寬比盡量接近1。

3種方案的有限元模型如圖5～圖7所示。

2.2 計算結果

模型的載荷為拖樁上57.6 kN的拖力，以集中力的形式施加在拖樁上。強肋位處為簡支約束，約束各節點的3向位移;橫艙壁處為固定約束，約束各節點的3向位移和3向轉角。

(1)等效應力

圖8～圖10為3種方案的等效應力圖，3種方案中拖樁連接構件的的最大等效應力見表1。

表1 拖樁連接構件最大等效應力

(2)剪切應力

圖11～圖13為3種方案的剪切應力圖。3種方案中拖樁連接構件的的最大剪切應力見表2。

(3)變形情況

圖14～圖16為3種方案的變形圖，3種方案中拖樁連接構件的最大變形量見表3。

表3 拖樁連接構件最大變形量

3 方案對比

通過以上的有限元計算數據和圖形，對3種方案進行對比，得出以下結論:

(1)方案1拖樁連接構件的等效應力和剪切應力最大，方案2次之，方案3最小。

(2)方案1拖樁連接構件的等效應力和剪切應力分布比較集中，主要集中在拖樁根部區域;方案2和方案3相比而言應力分布要均勻些。

(3)3個方案的拖樁連接構件的變形情況，方案1的變形范圍要大一些，方案3變形范圍最小，方案2變形值最大。

(4)由拖力引起的拖樁連接構件的應力主要位于沿船寬方向的3倍拖樁立柱直徑內，超出此范圍，應力值迅速減小。

(5)從施工的角度來看，方案1拖樁直接與甲板焊接;方案2拖樁深入主甲板，與甲板縱桁連接;方案3伸入主甲板下，與船底板及中內龍骨連接。方案3較前2個方案復雜一點。

構件的強度是結構設計中優先考慮的因素。雖然方案3較前2個方案施工過程復雜些，但其應力及變形量遠遠優于前2個方案。為了保證拖樁的強度，選擇了方案3為最終的施工方案。

4 結語

應用有限元計算方法，船體局部構件的應力及變形情況能形象地在圖形中得到反映，為結構設計帶來方便。該多功能執法艇拖樁及其連接構件方案設計中，3種方案的優劣通過有限元計算，表明第3種方案降低了船體構件的應力，減小了構件變形量。目前該多功能執法艇已經投入使用，在拖帶的過程中，拖樁及其連接構件無明顯變形，使用效果良好。