鋼沉井運輸駁船的強度有限元分析

余 鴻，蔡曉梅

(蕪湖大江造船有限公司，安徽蕪湖 241001)

鋼沉井運輸駁船的強度有限元分析

余 鴻，蔡曉梅

(蕪湖大江造船有限公司，安徽蕪湖 241001)

首先依據《內河包裝運輸危險貨物積載和系固手冊編制指南》，同時考慮到鋼沉井實際的裝載情況確定了綁扎方案，進而求得了相應工況下每根鋼絲繩受到的拉力。其次用有限元軟件MSC/PATRAN對運輸鋼沉井的98 m駁船建模及加載，同時對駁船的主要構件強度進行直接計算。最后比較3種工況下駁船各處應力的大小。結果表明，駁船主要構件的結構強度滿足規范要求。

駁船;鋼沉井綁扎;有限元;結構強度

0 引言

駁船具有船型小、載重噸位小、平底等特點，因此廣泛應用于內河淺狹航道的貨物運輸。駁船甲板多具有較大的載貨面積，主要用來運輸工程輔料、礦砂等大宗散貨，船舶利用率高。為了降低成本，運輸鋼沉井的駁船的結構設計一般都在規范所允許的最低限，所以在營運過程中船舶很可能由于自身構件強度不足出現結構的破損，導致人員傷亡和經濟損失。因此有必要對在運輸鋼沉井這類重量大，并且需綁扎貨物的駁船的結構強度進行研究。本文最終使用有限元方法對運輸鋼沉井的98 m駁船的主要構件強度進行直接計算。

1 有限元分析

1.1 創建有限元模型

1.1.1 駁船結構形式及主尺度

本船為單甲板、單底、單舷，縱骨架式全焊接結構，肋距為625 mm，艏尖艙(Fr144至Fr160)肋距為500 mm。本船總長98.00 m，垂線間長 98.00 m，船寬32.00 m，型深7.00 m，吃水 5.20 m，方形系數為0.839。

1.1.2 創建有限元模型

利用大型商用有限元軟件MSC/PATRAN進行有限元建模。采用三維有限元模型，模型垂向范圍為距基線4.4 m以上所有船體構件，寬度方向為全寬，長度方向為整個船長。模型外板、艙壁板、強框架、肋板、縱桁、肋骨腹板、甲板縱桁腹板等結構用板單元模擬，縱骨、肋骨等加強筋用梁單元模擬。

材料特性參數為:彈性模量2.06×105MPa，泊松比 0.3，密度 7.85 t/m3，重力加速度 9.81 m/s2。駁船有限元模型如圖1所示。

圖1 駁船有限元模型示意圖

1.2 邊界條件

計算時應按結構受力變形及對稱性確定邊界條件，不能處理為全自由結構。為最大限度減少對全船及相應結構的影響，要對其線位移以及角位移進行有效的約束，本文采用約束掉距基線4.4 m的平面內節點的所有線位移和角位移的方法。詳細邊界條件見表1。

表1 邊界條件

1.3 計算工況及載荷

1.3.1 綁扎方案的選擇

綁扎方案如圖2～圖8(包含工況1～工況3):鋼沉井外側用8根鋼絲繩，內側用4根鋼絲繩固定。

圖2 綁扎俯視圖(單位:m)

圖3 工況1綁扎橫剖面圖(單位:m)

圖4 工況一綁扎側視圖(單位:m)

圖5 工況2綁扎橫剖面圖(單位:m)

1.3.2 根據綁扎方案求得鋼繩拉力

根據《內河包裝運輸危險貨物積載和系固手冊編制指南》(以下簡稱“指南”)第3章“堆裝與系固”計算貨物質心水平分力NY、垂向分力NZ。具體公式如下:

圖6 工況2綁扎側視圖(單位:m)

圖7 工況3綁扎橫剖面圖(單位:m)

圖8 工況3綁扎側視圖(單位:m)

式中:NY為貨物單元質心在水平方向上所受到的合力，kN;NZ為貨物單元質心在垂向方向上所受到的合力，kN;G為貨物重量，kN;Φm為駁船橫搖角，°;φm為船舶縱搖角，°;Zm為垂蕩幅值，m;TΦ為橫搖周期，s;Tφ為縱搖周期，s;TZ為垂蕩周期，s;Xc為貨物單元質心沿縱向距船舶縱搖中心的距離，m;Yc為貨物單元質心沿橫向距船舶橫搖中心的距離，m;Zc為貨物單元質心沿垂向距船舶橫搖中心的距離，m。

由于貨物移動時會受到甲板對貨物的摩擦力，因此求鋼繩分力時要減去貨物的最大靜摩擦力fm。fm=μN，N=G+NZ＞G，fm＞μG，為安全考慮取 fm=μG。其中:μ為鋼與鋼接觸的靜摩擦系數，取0.1。根據“指南”求得貨物所受水平力及垂向力后可得到鋼絲繩總水平分力，最后根據具體綁扎方案經計算可得到各工況下每根鋼絲繩受力大小，見表2。

表2 鋼絲繩拉力分配表

1.3.3 模型的加載

由表2可以看出，載荷施加采用集中力的方式，力的大小見表2中最大拉力一列所示，方向為沿著鋼絲繩長度方向，位置為鋼絲繩與船體交匯節點處。

1.4 求解

利用有限元軟件MSC/NASTRAN進行有限元強度計算，應力評估范圍為甲板駁距基線4.4 m平面以上所有船體構件。3種工況下應力最大位置都出現在甲板上，大小分別為 25.2、13.8、20.9 MPa。另外，3種工況下大部分區域應力分布云圖看出，甲板以外的其他區域應力遠小于甲板處，各部分的強度還有相當一部分富裕。

2 計算結果與許用值比較

本船采用低碳鋼(Mild)，其材料換算系數K為1.0。許用彎曲應力根據“指南”規定，主要構件彎曲應力為有限元計算結果。兩者對比結果見表3。

表3 有限元計算結果與許用應力對比表

3 結語

從有限元計算結果可以看出，98 m鋼沉井運輸駁船結構強度不僅滿足了規范的要求，而且還出現了較大的富裕，強度過剩的部位如:艙壁、扶強材等可適當減小厚度或尺寸，從而可以達到節省鋼材，減輕船舶自重，提高載貨量的目的，進而提高該船的經濟性。此外，還可以看出，本文中并未出現十分明顯的應力集中現象，最大應力都出現在甲板上，大小僅為25.2 MPa，遠小于規范許用應力值。因此，依據“指南”確定的綁扎方案還是較為合理的，并不會導致過于明顯的應力集中，只要確保鋼絲繩本身不會斷裂，用于運輸的船舶結構強度可以滿足要求的。

［1］ 陳鐵云，陳伯真.船舶結構力學［M］.北京:國防工業出版社，1984.

［2］ 王杰德，楊永謙，等.船體強度與結構設計［M］.北京:國防工業出版社，1995.

［3］ 趙經文，王宏鈺.結構有限元分析［M］.北京:科學出版社，2001.

U661.43

A

2015-02-10

余鴻(1965—)，男，工程師，主要從事船舶建造工作;蔡曉梅(1966—)，女，高級工程師，從事船舶設計工作。