基于AQWA的某深海功能船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

劉 旭，李 軍

近年來，海洋石油的勘探技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，勘探工作已達(dá)到或超過3 000米水深的超深水區(qū)域。本文采用有限元分析軟件ANSYS及水動力分析軟件AQWA對某深海功能船在靜水力及波浪彎矩作用下的強(qiáng)度進(jìn)行初步估算。

1 船舶概況

本船為雙螺旋槳、電力推進(jìn)、航行工況為無限航區(qū)的肥大型平底船。主甲板之下為船首、尾及貨物甲板區(qū)域。主甲板之上為首樓區(qū)域、船員居住區(qū)域（上層建筑一） 及施工人員居住區(qū)域（上層建筑二）。本船設(shè)有傾斜首柱、方尾，具有連續(xù)的主甲板。

船總長約144.00 m，垂線間長約131.46 m，型寬40.00 m，型深10.75 m，設(shè)計吃水5.50 m，結(jié)構(gòu)吃水7.50 m，最大坐底作業(yè)水深9.50 m。

2 建立坐標(biāo)系

總體坐標(biāo)系以81號肋位的底部中點為坐標(biāo)原點。X軸指向為船首方向，Y軸指向為左舷方向，Z軸指向為船舶吃水高度方向。坐標(biāo)系示意圖如圖1所示。

圖1 坐標(biāo)系示意圖

3 有限元模型分析

根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)圖紙資料進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模。船的甲板、舷側(cè)、底部、艙壁等板裝結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨等桁材結(jié)構(gòu)均采用板單元進(jìn)行建模，各種骨材均采用梁單元進(jìn)行建模。81號肋位的橫艙壁結(jié)構(gòu)及有限元模型的其他視圖如圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示。

圖2 橫艙壁模型圖

圖3 有限元模型局部視圖

圖4 有限元模型單艙段視圖

圖6 船尾放大圖

模型建好后，按照圖紙為各個板和線設(shè)定相應(yīng)的屬性。對板單元采用shell63單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，梁單元采用beam188單元進(jìn)行劃分。有限元模型的主體網(wǎng)格尺寸設(shè)定為1.4 m，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，如吊機(jī)擱架處。有限元模型共包括節(jié)點7.869萬個，單元13.618萬個。網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖7 有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖

4 載荷分析

對整個船體進(jìn)行慣性釋放。計算工況根據(jù)所提供的重量重心計算表。按照所給的數(shù)據(jù)對燃油艙和壓載水艙進(jìn)行加載。壓載艙及燃油艙分布參考艙容圖及總布置圖，將每個艙中總的液體質(zhì)量均布在艙底的節(jié)點上，即給艙底的節(jié)點賦予質(zhì)量屬性MASS21，在艙壁處按深度施加梯度載荷。

以自存工況為例進(jìn)行分析。自存工況吃水6米時，不計及吊機(jī)作用。計算工況根據(jù)所提供的重量重心計算表，按照所給的數(shù)據(jù)對燃油艙和壓載水艙進(jìn)行加載。加載空船質(zhì)量中輪機(jī)專業(yè)重量、外舾專業(yè)重量、內(nèi)舾專業(yè)重量、管系專業(yè)重量及電氣專業(yè)重量，不計及吊機(jī)作用。對整個船體同樣賦予重量，及添加垂向的重力加速度g=9.8 m/s2。船體吃水6 m，波高8 m。采用AQWA-LINE軟件計算單位波高下，不同頻率、角度的波浪力，取迎浪時中拱和中垂兩種情況，通過AQWA-WAVE衍射到船體模型上，如圖8和圖9所示。

圖8 自存吃水6 m中垂時的波浪力載荷示意圖

圖9 自存吃水6 m中拱時的波浪力載荷示意圖

風(fēng)載荷和流載荷根據(jù)風(fēng)載荷計算書和波流載荷計算書所給數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 風(fēng)力和波流力統(tǒng)計表

根據(jù)迎浪時中拱和中垂兩種工況，加載在相對應(yīng)作用面的節(jié)點上，如圖10和圖11所示。

圖10 自存吃水6 m迎浪時風(fēng)載荷示意圖

圖11 自存吃水6 m迎浪時流載荷示意圖

通常使用經(jīng)驗公式來計算作用在船上海流的力和力矩。在計算時，可以使用船在靜水中估算船舶阻力的方法。Froude數(shù) 很小，以至于波浪阻力相對于黏性阻力可以完全被忽略。可用下述的近似公式計算：

式中β——流速和縱向x軸之間的夾角（x軸的正向為船尾方向）；

S——船的濕面積，且其中β取0度。

5 結(jié)果分析

由工況下分析可知，漂浮工況時，主體部分中垂波浪彎矩下的最大應(yīng)力值約為172 Mpa，中拱波浪彎矩下的最大應(yīng)力值約為211 Mpa，均成云狀分布，船中處較大向兩側(cè)逐漸減小，應(yīng)力分布均勻。因為中垂時，波浪力與首尾的壓載艙的壓力相抵消，因此應(yīng)力較小。坐底工況時，主體部分的最大應(yīng)力177 Mpa。自存工況、航行工況時，無吊機(jī)作業(yè)，最大應(yīng)力值約為185 Mpa，各工況下的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，符合結(jié)構(gòu)要求。在某些點由于結(jié)構(gòu)及加載的原因，應(yīng)力集中，但是也沒有超過200 Mpa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，符合強(qiáng)度規(guī)范。內(nèi)部結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力較小。縱骨最大應(yīng)力為188 Mpa左右，出現(xiàn)在約束處，符合規(guī)范要求。有少數(shù)部位應(yīng)力集中，不影響強(qiáng)度結(jié)果。

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