24.1米抓斗式挖砂船結構強度有限元分析

梁民杰+黃珂

摘 要：本文對某24.1米抓斗式挖砂船的結構強度進行有限元分析，對該船提出結構優化設想，供此類船舶設計、建造及檢驗時參考。

關鍵詞：抓斗式挖砂船 結構強度 有限元分析

1.前言

為保證內河船舶的結構強度，《鋼質內河船舶建造規范》對內河船舶的主尺度比值有相應的規定，比如對抓斗式挖砂船要求船長與型深的比值L/D≤25、船寬與型深的比值B/D≤7。但是某些抓斗式挖砂船受所在航區航道條件的限制，以及使用要求的限制，主尺度比值達不到上述要求，那么按規范要求就要對其結構強度進行有限元計算分析。

2.有限元分析

某24.1米抓斗式挖砂船主要數據如下：

總長LOA=24.10m

水線長LW=20.50m

型寬B=12.00m

總寬BOA=12.10m

型深D=1.54m

吃水d=0.94m

排水量Δ=221.10t

航區：B級

該船結構型式為單底、單舷側、橫骨架式，其基本結構圖如圖1所示。該船B/D=12/1.54=7.79，顯然不滿足規范主尺度比值的要求，所以要對該船的結構強度進行有限元計算分析。

通過MSC.PATRAN和MSC. NASTRAN有限元程序計算，得出全船應力云圖如圖2所示，變形云圖如圖3所示。

計算得出的結構應力及變形值匯總如上表所列：

根據計算結果可以看出來，本船通過有限元計算，各結構構件的應力水平均滿足結構許用應力要求，滿足規范要求。全船最大變形的僅16.7mm，相對于全船而言，結構變形也可滿足要求。

3.結構優化設想

從計算結果可以看到，該船除甲板縱桁的實際最大應力相對較大外，其它板材、構件的實際最大應力是比較小的，遠低于規范許用應力。所以從降低建造成本方面考慮，該船有些板材、構件的結構尺寸是可以適當減小的，當然前提是必須滿足結構規范計算。

例如該船船底板結構規范計算如下：

按《鋼質內河船舶建造規范》§7.3.1.1和§10.3.1.2、§10.3.1.5，船中部船底板厚度t不小于下式計算之值：

α、β、γ——系數，按骨架型式由表7.3.1.1選取α=0.062；β=4.4；γ=0.2

n=-0.0005L+0.1282=-0.0005×20.5+0.1282=0.1505

該船船底板設計板厚為5mm，而結構規范計算值為3.1mm，且通過有限元計算，得出船底板實際最大應力遠低于規范許用應力，所以筆者認為該船船底板板厚減小為4mm，其強度也是可以滿足要求的。

4.結束語

通過有限元計算，該船結構強度是滿足要求的，且該船還可以進行結構優化，以降低建造成本。但是筆者認為在進行結構優化時應慎重考慮，應在結構規范計算和有限元計算均滿足要求的情況下才能進行優化。

參考文獻：

[1]中國船級社.鋼質內河船舶建造規范，人民交通出版社，2009.

[2]王杰德，楊永謙.船體強度與結構設計，國防工業出版，1992.

[3]龍凱，賈長治，李寶峰.Patran2010與Nastran2010有限元分析從入門到精通，機械工業出版社，2011.endprint