基于有限元直接計算的某型船甲板設備加裝改造設計

崔宏林，王金鑫，全春典

（1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧葫蘆島125000；2.渤海船舶職業學院,遼寧興城125105；3.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東廣州510715）

在船舶改裝施工時，常常會有在甲板上加裝設備的需求，為保證設備正常工作并確保加裝船及甲板操作人員的安全，需要對加裝后的甲板強度及總縱強度做精確的計算并校核。

有限元法是一種基于變分原理的把連續體離散化的數值解法，具有適應性強、效能高等優點。有限元法的實質是把求解區域分為有限個單元，通過每個單元承載模式和變形情況精確模擬求出某個關心構件或區域的實際變形與應力。隨著CAD/CAM/CAE的推廣，以有限元法為核心的通用結構分析軟件得到廣泛應用。

通過對需要在甲板上臨時增加兩型設備的某型船強度計算總結，介紹應用有限元法進行船甲板局部結構強度校核計算方法，為在甲板上有加裝設備需求的船舶改裝工作提供參考。

1 某型加裝船及設備概況

該船要求在主甲板上增加A、B兩型設備，A型設備在首部及尾部左右舷對稱布置，基座中心位于船首、尾主甲板距中約3 000 mm處；B型設備在中部左右舷對稱布置，基座中心位于中部主甲板距中約3 500 mm。

原船主甲板材料為B級鋼，屈服極限σS＝235 MPa，此處構件規格如表1所示；設備A基座及其加強結構和設備B基座安裝板均采用Q235 鋼，屈服極限σS＝235 MPa。

表1 主甲板構件規格

2 強度校核計算

2.1 計算依據

2.1.1 參考圖紙

某型船基本結構圖；兩型設備（設備A、設備B） 加裝基座圖。

2.1.2 兩型設備布置的位置

由于不同位置的甲板結構其承力能力不同，建議兩型設備按表2位置布置，作為有限元建模的位置依據。

表2 兩型設備的位置建議

2.1.3 材料許用應力

根據中國船級社《船體結構強度直接計算指南》 （2001） 規定，船體結構強度直接計算中采用相當應力（或稱Von Mises應力，以σe表示）來衡量應力的許用程度。該指南中規定，船體甲板板材料的許用應力為σe=175 MPa（甲板材料屈服極限為235 MPa）。

2.2 有限元模型

本文采用由點到線、由線到面的自上向下的建模方法，分別建立船體結構有限元模型和基座有限元模型，并分別賦材料屬性（圖1分別為首部A型設備有限元模型、中部B型設備有限元模型和尾部A型設備有限元模型），然后通過裝配功能對船體結構模型和基座模型進行組裝，建立裝配結構模型，通過設置tie接觸使得船體結構模型和基座模型連成一體，最后設置邊界條件，邊界條件為四周剛固，支柱處施加垂向約束。

圖1 設備有限元模型

2.3 載荷計算

設備A載荷為設備重量和后坐力；設備B載荷為設備重量。設備A質量為固定值；后坐力為動載荷，隨時間變化而變化，本船在計算時取動載荷中的最大值，這樣使得計算結果偏于安全，如圖2所示。

圖2 設備A工作時的后坐力載荷

2.4 應力計算結果

2.4.1 艏部加裝的A型設備應力計算

圖3分別為艏部甲板基座、艏部甲板板和艏部甲板加強筋的應力云圖，根據應力云圖，艏部甲板基座結構的最大正應力σmax＝117.7 MPa，艏部甲板板的最大正應力σmax＝94.10 MPa，艏部甲板加強筋的最大正應力σmax＝111.3 MPa，以上三個最大正應力值均不大于材料許用應力[σe]=175 MPa，滿足要求。

圖3 艏部甲板構件應力云圖

2.4.2 中部加裝的B型設備應力計算

圖4分別為中部甲板基座、中部甲板板和中部甲板加強筋的應力云圖，根據應力云圖，中部甲板基座結構的最大正應力σmax＝76.89 MPa，中部甲板板的最大正應力σmax＝51.10 MPa，中部甲板加強筋的最大正應力σmax＝50.72 MPa，以上三個最大正應力值均不大于材料許用應力[σe]=175 MPa，滿足要求。

圖4 中部甲板構件應力云圖

2.4.3 尾部加裝的A型設備應力計算

圖5分別為艉部甲板基座、艉部甲板板和艉部甲板加強筋的應力云圖，根據應力云圖，艉部甲板基座結構的最大正應力σmax＝117.7 MPa，艉部甲板板的最大正應力σmax＝36.10 MPa，艉部甲板加強筋的最大正應力σmax＝81.66 MPa，以上三個最大正應力值均不大于材料許用應力[σe]=175 MPa，滿足要求。

圖5 艉部甲板構件應力云圖

2.5 計算結果匯總

兩型設備各項目最大正應力計算結果匯總如表3所示。結果表明，設備A和B基座及其加強結構的強度滿足規范要求。

表3 計算結果匯總

3 結論

本文按GJB 4000-2000《艦船通用規范》要求，建立主甲板板架三維有限元模型，依據設備加裝情況進行結構建模，采用有限元軟件對甲板局部結構強度進行校核計算，結果表明，設備A和B基座及其加強結構的強度滿足規范要求。

本設計方法已在某型船改裝工作中實際應用，施工后設備運行正常而穩定，證明了本計算方法的合理性及計算結果的正確性。在供同類改裝設計參考時，特提出如下建議：考慮A型設備的動載荷對基座及其加強結構的疲勞強度有可能帶來影響，因此應采取適當增加基座下加強材厚度、沿使用時后坐力的方向增加肘板、在基座下安裝面積略大于基座的墊板等安全措施。

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