桁架式桅桿結構強度及穩定性有限元分析

陳南華++王領++龐程燕

摘要：桁架式桅桿是船舶上的重要結構，其結構強度及穩定性直接關系著船舶的安全問題。基于中國船級社相關規范，利用有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran對某鋼質綜合試驗船的桁架式桅桿進行了不同載荷工況下的強度及穩定性分析和評估，結果表明該桁架式桅桿結構安全可靠。文中采用的校核方法可為其它類似桅桿結構強度及穩定性有限元分析提供一定的參考。

關鍵詞：桁架式桅桿；有限元分析；結構強度；局部穩定性；整體穩定性

中圖分類號：U667.1 文獻標識碼：A

Finite Element Analysis of Structure Strength and Stability of Truss Type Mast

CHEN Nanhua， WANG Ling， PANG Chengyan

（Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250）

Abstract： Truss type mast is the main structure of a ship， the structure strength and stability of it is related to the security of a ship. The analysis and assessment of structural strength and stability under different loads of truss type mast in a steel sea-going test ship is carried out by the finite element analysis software MSC.Patran/Nastran based on the CCS rules. The results indicate that the structure of the truss type mast is safe and reliable.

Key words： Truss type mast； Finite element analysis； Structure strength； Local stability； Overall stability

1 引言

桅桿是現代船舶的一個重要組成部分，桅桿的功能主要是搭載船用雷達、船舶氣象儀、通信天線、信號燈等電子、電氣設備。按照其結構形式一般可分為桁架桅和筒形桅兩種：筒形桅因為其良好的強度和隱身性能，受到廣泛應用，對筒形桅桿的研究也較多；桁架式桅桿由于其結構型式簡單、經濟、受風面積小等優點也得到一定的應用。

桁架式桅桿桿身較高，橫截面面積相對較小，安全可靠度較差，任何一根弦桿失穩都容易引起整個結構的破壞。此外，其空間受力復雜，在結構和設備自重、慣性載荷以及風載荷的影響下，強度及穩定性都可能導致桅桿結構破壞。

近幾年中國船級社相繼頒布的《水面艦艇入級規范（2011）》（以下簡稱《艦艇規范》）、《中國海警艦艇入級規范（2011）》、《海關緝私艦艇檢驗指南（2013）》等對桅桿的強度及穩定性提出了采用有限元法校核的要求。目前對桁架式桅桿強度及穩定性研究的文章較少，尤其是對整體穩定性的研究更少。本文利用有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran對某鋼質海洋綜合試驗船的桁架式桅桿結構強度、局部穩定性及整體穩定性進行了分析和評估，其中強度及局部穩定性評估主要依據《艦艇規范》，整體穩定性評估則參考中國船級社《船舶與海上設施起重設備規范（2007）》（以下簡稱《起重規范》）的有關要求進行。

2 桅桿結構概況

本桅桿結構為三角形桁架式，安裝于羅經甲板頂部，其布置及主要構件尺寸如下：前主弦管φ180×8.0 mm，位于船體中心處；后兩根主弦管φ114×6.5 mm，對稱布置于距中1 200 mm處；橫撐及斜撐φ60×4.0 mm；桅桿平臺前斜撐φ114×6.5 mm、φ80×4.5 mm，后斜撐及導航雷達平臺φ80×4.5 mm；信號燈等小桅φ60×4.0 mm。詳見圖1。

3 有限元模型

3.1 模型的建立

對于整個船體結構而言，桅桿結構受力屬于局部強度問題。根據圣維南原理，為了盡量減少邊界條件對計算結果的影響，對模型范圍進行適當擴充，模型范圍取整個桅桿結構及第四層甲板室結構，有限元模型見圖2。總體坐標系取右手直角坐標系，x軸沿船長方向首為正方向，y軸沿船寬方向左舷為正方向，z軸沿型深方向上為正方向。

3.2 單元類型及網格尺寸

結構中的板材和主要支撐構件的腹板用板單元模擬；桅桿結構、扶強材、甲板室橫梁、支柱等用梁單元模擬，并考慮各構件的實際截面和偏心；主要支撐構件的面板用桿單元模擬；桅桿上的雷達等設備用質量單元模擬。

網格尺寸以200×200 mm為基準進行劃分。模型中共有13 514個節點、12 485個板單元、4 133個梁單元、742個桿單元、2個質量單元。

3.3 材料參數

本桅桿及甲板室結構為普通船用鋼結構，其彈性模量為2.06×105 N/mm2，泊松比為0.3，質量密度為7.85×10-9 t/mm3，屈服強度為235 N/mm2。在有限元模型中，考慮到模型與實際結構的誤差，如建模時未予考慮的焊料、燈座、信號燈、踏步及其他小的舾裝件等，因此模型中所采用的質量密度增加10%，即8.635 ×10-9 t/mm3。

7 結論

（1）通過對桅桿結構強度進行有限元分析，得到了桅桿結構的應力分布情況。設計時對于高應力區域應予以重點關注，必要時可采取精細網格進行詳細的應力分析。

（2）本桅桿結構強度、局部穩定性及整體穩定性均滿足相關規范的要求，但安全裕度較大，這是因為本桅桿對結構固有頻率有額外的要求，需適當加大桅桿結構的剛度導致的。

（3）桁架式桅桿的整體穩定性校核方法及衡準在相關船舶規范中沒有提及，由于結構的相似性，本文參考了《起重規范》的相關要求對其進行評估，在以后的桅桿整體性穩定性評估中，建議可采用該規范進行校核。

參考文獻

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洋平臺，2006，21（2）.

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[5] 中國船級社. 海關緝私艦艇檢驗指南[S]. 北京：人民交通出版社， 2013.

[6] 中國船級社. 船舶與海上設施起重設備規范[S]. 北京：人民交通出版社，

2007.endprint