某設備加強結構優化設計研究

王穎博 田喜民，2 顧漢才

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011；2.上海交通大學 上海 200240）

0 引 言

一設備處于某型船直升機機庫頂部，由于該型船功能及布置的特殊性以及該設備對結構強度、剛度和振動性能提出了較高的要求，且該設備下方無圍壁和支柱作為支撐，因此結構的設計非常困難。本文對所采用的兩種加強方法進行了計算與對比分析。

1 設備加強結構

根據總布置及結構規范設計要求，本文設計了兩種典型結構加強形式（分別如圖1、圖2所示）。

圖1 筒形加強結構

圖2 縱橫桁材加強結構

第一類加強形式為筒型加強結構，其直徑與設備基座直徑相等；第二類加強形式為縱橫桁材加強結構。這兩類加強形式的結構都與鄰近的強構件相連接。

2 有限元計算模型

該設備加強結構采用有限元法進行對比分析，有限元模型采用“MSC.PATRAN/NASTRAN”計算軟件。模型范圍以設備基座（04甲板FR33+325 mm、船舯）為中心:橫向至左右兩舷外板；縱向由FR30上層建筑后端壁至FR44強橫梁；垂向由基座平面至03甲板。兩種加強方案的有限元模型分別見圖3和圖 4［1］。

圖3 筒形加強方案結構模型

圖4 縱橫桁材加強方案結構模型

三維有限元模型包括甲板及其下縱橫桁材和骨材、基座、艙壁及其扶強材等。所有板材均以殼單元進行模擬；船體結構的強構件（包括縱桁、強橫梁及艙壁強扶強材）的腹板采用殼單元進行模擬，面板采用梁單元進行模擬；縱骨、加強筋、艙壁扶強材等采用梁單元進行模擬。基座面板、腹板和肘板采用殼單元進行模擬。距設備基座平面中心1276 mm高度處設置節點，與螺釘孔之間建立MPC連接。

3 載荷計算及工況

3.1 計算工況

本設備所受載荷可分為12個工況，如表1所示。

表1 計算工況

3.2 載荷計算

設備主要參數如下:

計算載荷由三部分組成:設備工作時所受載荷、設備重量G及船舶運動的慣性力。上述三個力可分解為沿X軸、Y軸和Z軸方向的力FX、FY和FZ（X軸沿船縱向，Y軸沿船橫向、Z軸沿船垂向）。

船舶處于不同的狀態下的計算載荷均不同。

船舶處于橫搖狀態，方位角β=90°時

船舶處于橫搖狀態，方位角β=0°時

船舶處于縱搖狀態，方位角β=0°時船舶處于縱搖狀態，方位角β=90°時

式（1）～（4）中:

K為動力系數，由于設備布置在較高的上層建筑上，此處取2.2；

α為設備工作時的角度，此處取0°、-20°和60°；

φ為最大橫搖角，此處取30°；

θ為最大縱搖角，此處取9°；

PX，PY，PZ分別是沿X軸、Y軸和Z軸方向的船

舶運動的慣性力（X軸沿船縱向，Y軸沿船橫

向、Z軸沿船垂向）。

在橫搖狀態下，船舶運動的慣性力為

在縱搖狀態下，船舶運動的慣性力為

式（5）、（6）中:

Tφ為橫搖周期，此處取13 s；

Tθ為縱搖周期，此處取6 s；

X，Y，Z為設備質心到艦艇質心的距離，

此處 X=-41.26 m，Y=0 m，Z=14.13 m；

R為艦艇質心軌跡半徑，m。

式（7）中: f（C1）， f（C2）為相關函數。

式（8）、（9）中:

式（10）、（11）中:B 為船寬，m；T 為設計吃水，m。

艦艇搖擺時所引起的慣性力如表2所示。

表2 慣性力kN

對應工況的載荷情況如表3所示。

表3 各工況載荷kN

4 衡 準

由于本設備對船體加強結構的應力、振動及剛度均提出了較高的要求，因此設備加強需滿足規范相應衡準要求，各衡準要求詳見4.1～4.3。

4.1 許用應力

按照《水面艦艇結構設計計算方法》［2］，在各種工況下，該設備加強構件計算相當應力的許用值:

此處:σs為材料屈服應力，取235 N/mm2。

4.2 穩定性

為保證該設備加強構件穩定性，甲板的剪切力τ＜0.5 τcr，τcr為臨界應力。

按照《船舶設計實用手冊結構分冊》，單向受壓矩形板的歐拉剪應力 τE為［3］:

式中:a，b為矩形的兩邊長度；t為板厚。

04甲板計算板格尺寸如圖5所示，板厚7 mm，兩邊長分別為650 mm、2600 mm。

圖5 穩定性計算板格簡圖

計算出歐拉剪應力以及臨界應力分別為:

4.3 振動許用值

該設備加強結構的自振周期要T要求為:

5 計算結果及分析

5.1 計算結果

兩類加強形式采用有限元方法針對12種工況分別進行計算。筒形加強結構計算結果如表4所示，縱橫桁材加強結構計算結果如表5所示。

表4 筒型加強結構計算結果

表5 縱桁桁材加強結構計算結果

5.2 應力云圖

兩類加強結構形式最大應力云圖見圖6、圖7

圖6 工況4 筒形加強結構桁材相當應力云圖

圖7 工況2 縱橫桁材加強結構桁材相當應力云圖

圖8 工況6 筒形加強結構變形云圖

5.3 結果分析

由計算數據可見，兩類加強結構形式均滿足規范衡準要求。

比較表4和表5的計算結果，我們可以看出:

（1）筒型加強結構與縱橫桁材加強結構相比較輕、加強結構形式較簡單、現場施工也難度小。從經濟性的角度考慮，筒型加強結構形式要優于縱橫桁材加強結構形式。

（2）由于設備基座腹板為圓形結構，因此采用筒型加強結構，可以使設備基座腹板和基座肘板與筒形加強結構有較好的對應連接，有利于力的傳遞與分散，從而降低各構件的最大應力。

比較兩種結構加強形式的應力云圖可以發現，筒型加強結構的應力分布較均勻，且通過基座的肘板腹板可以有效地傳遞至縱桁和橫梁；而縱橫桁材加強結構的應力分布較集中，基座的肘板腹板承受了較大的應力［4］。

（3）兩種加強形式設備加強結構受力后的變形計算，都沒有明顯優于對方。雖然不同工況下各有所示，最大變形云圖見圖8、圖9所示。大小，但都遠小于設備要求的變形，滿足設備運行的需要。

圖9 工況9 縱橫桁材加強結構變形云圖

6 結 論

本文利用有限元方法對某設備的加強結構進行優化設計研究，發現筒型加強結構加強形式簡單輕便，且便于力的傳遞，因此在某船上最終采用此種加強結構形式。本文為船用設備的結構加強提供參考，對船舶結構設計具有一定的參考意義。

［1］湯衛民，王穎博，陳永兵.絞盤基座加強結構設計［J］.船舶，2010（4）:24-27.

［2］中國人民解放軍總裝備部.GJB/Z119-99水面艦艇結構設計計算方法［S］.1993.

［3］中國船舶工業總公司.船舶設計實用手冊:結構分冊［M］.北京:國防工業出版社，2002.

［4］中國船級社.船體結構強度直接計算指南［M］.北京:人民交通出版社，2001.