基于有限元方法的抓斗式挖泥船船體結(jié)構(gòu)強度分析

摘 要：本文利用MSC.Nastran軟件對36m抓斗式挖泥船在兩種不同工況下進行有限元分析，給出了適合于該型船舶的邊界條件施加方法和載荷計算方法，從計算結(jié)果可以了解船體各主要構(gòu)件的應(yīng)力水平和薄弱部位，為抓斗式挖泥船的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：挖泥船結(jié)構(gòu)強度結(jié)構(gòu)設(shè)計有限元

中圖分類號：U663.8文獻標識碼：A文章編號：1674-098X(2011)06(a)-0089-02

抓斗式挖泥船可以在港口內(nèi)移至任何需要的地方，抓斗式挖泥船通常在港區(qū)或航道內(nèi)從事挖泥作業(yè)，船上有起重設(shè)備，吊臂形式主要有固定式和旋轉(zhuǎn)式兩種[1]，同時可以起吊貨物，或是靠泊，或是移到錨地轉(zhuǎn)移大件貨物。本文對36m抓斗式挖泥船在10%燃料備品和全部燃料備品兩種載重工況下進行有限元強度分析，以校核該型船舶的結(jié)構(gòu)強度。

1 船體說明

36m抓斗式挖泥船結(jié)構(gòu)按《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2009）[2]的要求進行設(shè)計。本船為自航船，裝載有動力裝備，既可以固定停靠在特定水域進行挖泥或吊裝作業(yè)，也可以自行移動進行航道清理工作。本船除船體自重、船用設(shè)備、燃油備品外，不帶其他貨物等載荷，因此，結(jié)構(gòu)強度計算不需考慮其貨物載荷對船體結(jié)構(gòu)強度的影響。該船長34.9m，船寬8.40m，型深1.5m，結(jié)構(gòu)吃水0.9m，肋距為0.5m，航區(qū)為A級，參照Ⅲ類工程船—— 抓斗式挖泥船進行設(shè)計，如圖1所示。

2 有限元模型

2.1 有限元模型

取直角坐標系，坐標原點位于船體中心線#20肋位處，X軸沿船長方向以向首為正，Y軸沿船寬方向以向左舷為正，Z軸沿型深方向以向上為正。有限元模型單位：長度為米（m），力為牛頓(N)。利用MSC.Patran有限元軟件[3]建立36m挖泥船F(xiàn)r8～Fr68艙段的有限元模型，如圖2和圖3所示。

2.2 邊界條件

根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2009）關(guān)于船舶直接計算的要求，在Fr8剖面（A剖面）和Fr68剖面（B剖面）中和軸處分別建立剛性點A、B，在剛性點上施加彎矩。

3 載荷及計算工況[4]

由于本船作業(yè)時無貨物載荷，船體重量載荷只由燃油備品的變化引起，故分析本船的結(jié)構(gòu)強度考慮以下兩種載荷工況：（1）10%燃料物品下的載荷，同時在甲板上的起重機起吊3t的泥沙載荷；（2）全部燃料物品下的載荷，同時在甲板上的起重機起吊3t的泥沙載荷。利用船舶專用軟件MAXSURF建模計算船舶攜帶10%燃料備品及全部燃料備品時的靜水彎矩(Moment)，兩種工況下靜水彎矩計算結(jié)果如圖4所示。

4 有限元計算結(jié)果

根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶船建造規(guī)范》（2009）結(jié)構(gòu)強度直接計算補充規(guī)定進行計算，兩種工況下船體各主要構(gòu)件應(yīng)力計算結(jié)果如下：

船底板、甲板、舷側(cè)外板的許用應(yīng)力都是165N/mm2，橫艙壁、環(huán)形艙壁的許用應(yīng)力都是的45N/mm2；工況1的最大計算應(yīng)力分別為船底板39.2N/mm2，甲板43.3N/mm2，舷側(cè)外板33.3N/mm2，橫艙壁27.3N/mm2，環(huán)形艙壁78.7N/mm2；工況2的最大計算應(yīng)力分別為船底板76.7N/mm2，甲板61N/mm2，舷側(cè)外板51N/mm2，橫艙壁47.9N/mm2，環(huán)形艙壁120N/mm2；都滿足規(guī)范。

一情況下船舶部分主要構(gòu)件的應(yīng)力云中。從計算結(jié)果可以看出，該船在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)尺寸下船體結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求，工況一與工況二的應(yīng)力結(jié)果相比而言，工況一情況下由于船舶所攜帶燃油備品等較少，即船舶載荷較小，船體各部分結(jié)構(gòu)響應(yīng)較工況二低40%左右，可見，對挖泥船而言，燃油備品的重量對船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力有較大影響。就某一工況而言，船體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在環(huán)形艙壁上，說明該部分為抓斗式挖泥船的薄弱部位，設(shè)計制造過程中需要進行適當(dāng)加強。

5 結(jié)論

本文在建立船舶靜水力計算模型的基礎(chǔ)上，分別利用有限元方法在兩種工況下對36米抓斗式挖泥船結(jié)構(gòu)強度進行計算，可以得出如下主要結(jié)論：

（1）有限元計算結(jié)果表明該船主要構(gòu)件強度總體上滿足規(guī)范要求，在全部燃料備品工況下，船底板、甲板、舷側(cè)外板、船底縱桁、橫艙壁和環(huán)形艙壁等應(yīng)力較大，因此對此類挖泥船進行設(shè)計時應(yīng)以全部燃料備品工況為設(shè)計工況。

（2）船體各構(gòu)件中，環(huán)形艙壁是該船高應(yīng)力水平區(qū)域，在設(shè)計過程中應(yīng)對此區(qū)域尤其重視，但由于該結(jié)構(gòu)在普通船舶中少有應(yīng)用，規(guī)范中沒有給出明確的強度校核方法，因此，必要時需對該部分結(jié)構(gòu)進行有限元直接計算，進而了解該區(qū)域應(yīng)力水平，以確保船舶的安全性。

參考文獻

[1]張志明等.大型起重船船型開發(fā)的若干技術(shù)問題初探[J].船舶，2005.

[2]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.

[3]沈華.船舶穩(wěn)性與強度計算[M].大連:大連海事大學(xué)出版社，2001.