大型公務(wù)船尾部墩木布置研究

詹 蓉劉新宇

（1. 上海交通大學(xué) 船舶與海洋建筑工程學(xué)院 上海200240 ；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

大型公務(wù)船尾部墩木布置研究

詹 蓉1,2劉新宇2

（1. 上海交通大學(xué) 船舶與海洋建筑工程學(xué)院 上海200240 ；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

文章研究了在船臺上軸系對中時，某大型公務(wù)船尾部分水踵下墩木布置方案。采用有限元法，對比分析了不同邊界條件下計算結(jié)果的差異性，討論了尾部墩木布置的數(shù)目以及材料特性對墩木強(qiáng)度和船體尾部變形的影響。計算結(jié)果表明：在合適的位置適當(dāng)增加尾部墩木數(shù)量有利于支反力的均勻分布；而提高尾部墩木的剛度有利于船體尾部的變形控制。根據(jù)計算結(jié)果提出優(yōu)化的墩木布置原則，以保證建造過程中船體結(jié)構(gòu)和墩木的安全。

大型公務(wù)船；分水踵；邊界條件；墩木強(qiáng)度

引 言

大型公務(wù)船在船臺建造過程中，船體下方設(shè)置有多個墩木，設(shè)計墩木數(shù)量、位置等需要保證船體建造安全。對于設(shè)置有分水踵的大型公務(wù)船，考慮到尾部線型變化劇烈，分水踵所在的尾部區(qū)域的懸臂部分較重，除在分水踵下方設(shè)置墩木支撐外，分水踵兩側(cè)和尾部懸臂部分也要設(shè)置高墩對船底予以支撐，以保證船體建造安全。然而，在軸系對中定位時，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求［1］，須拆除船體尾部臨時托架（即尾部及兩側(cè)的高墩），僅保留分水踵處墩木，參見圖1。因此研究尾部墩木的布置方案，以保證分水踵結(jié)構(gòu)及墩木的強(qiáng)度十分重要。

1 研究內(nèi)容

本文旨在研究公務(wù)船尾部區(qū)域分水踵下墩木的布置方案。鑒于墩木主要承受船體自重產(chǎn)生的垂向靜力載荷，經(jīng)試算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)墩木在平底線范圍內(nèi)均布時，在船舯（船長方向）處滿足平斷面假設(shè)，且轉(zhuǎn)角幾乎為零。故為簡化計算模型，截取后1/2船長范圍內(nèi)船體為研究對象。在計算過程中簡化墩木模型，不考慮墩木鋼架及船臺的變形，假定其為剛性，只考慮中間墩木的變形及其受力［2］。

主要研究內(nèi)容如下：

（1）不同邊界條件下計算結(jié)果分析比較；

（2）不同布置方案分析：增加墩木數(shù)量，更改墩木材料；

（3）研究控制支反力分布和控制船體底部變形的布置原則。

2 有限元模型

計算采用有限元軟件ABACUS完成。三維模型取后1/2船長范圍，船體的板結(jié)構(gòu)采用四邊形單元或三角形單元模擬；所有縱桁、強(qiáng)橫梁、骨材及加強(qiáng)筋等構(gòu)件采用帶有彎曲剛度的偏心梁單元模擬，網(wǎng)格大小為骨材間距。較大舾裝件及壓載水、油水質(zhì)量由質(zhì)量棒模擬，一些未建模的構(gòu)件通過調(diào)整相應(yīng)的單元密度或者增加質(zhì)量點(diǎn)模擬。模型如圖2所示。

3 墩木的位置

墩木的位置按照從尾部往首編號1-17。受小車布置位置的影響，尾部小車布置位置必須設(shè)置墩木，中間可增設(shè)墩木位置編號為1、3、4、5、7、8、9，如圖3所示。

4 不同邊界條件計算分析對比

在計算墩木反力時，通常采用彈性基礎(chǔ)梁理論，將墩木簡化成一系列離散的彈性支座。有時為計算方便，也會直接將墩木所在位置視為簡支邊界條件，通過計算支點(diǎn)處的支反力來校核墩木強(qiáng)度。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，也可采用實體單元直接模擬墩木，通過接觸非線性有限元分析計算受力和變形也廣泛應(yīng)用于彈性基座的強(qiáng)度校核之中［3］。

針對目標(biāo)船的有限元模型，對底部邊界分別按照簡支、彈簧單元和實體單元進(jìn)行模擬，對其支座處的支反力及船體變形等情況進(jìn)行計算。為增加對比的精度，考慮將整個分水踵底部編號位置鋪滿墩木。主要考慮尾部支反力計算情況和變形情況，截取前14塊墩木的支反力計算結(jié)果見圖4，底部變形曲線如圖5所示。

由上述計算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）簡單地將墩木所在位置視為簡支邊界條件的簡化計算方法在具有懸臂結(jié)構(gòu)特征的船體墩木支反力計算中，結(jié)果失真比較嚴(yán)重。計算所得最大支反力幾乎是彈簧單元/實體單元模擬墩木條件下計算結(jié)果的3倍，這樣的簡化方法在工程實踐中不應(yīng)采用。

（2）由于用實體單元模擬墩木采用的是非線性求解，能夠體現(xiàn)單塊楞木內(nèi)的變形及應(yīng)力分布，因此能更準(zhǔn)確反映墩木的受力變形情況。

（3）墩木用彈簧單元模擬和實體單元模擬，支反力計算結(jié)果比較接近，誤差小于5%，說明用簡化的彈簧邊界初步計算墩木支反力的結(jié)果較為可靠。

（4）簡支邊界無法反映船體實際變形情況，多數(shù)情況下不適用。墩木用實體單元模擬與用彈簧單元模擬相比計算變形略大，且自尾部往前開始收斂，兩者相差不多；對于墩木支反力、墩木強(qiáng)度計算而言，用彈簧單元進(jìn)行模擬的計算結(jié)果精度足以應(yīng)用于工程實踐中，計算工作量也相對較小。

5 不同墩木布置方案的計算分析對比

為獲得更精確的計算結(jié)果，以下研究中墩木均采用實體單元進(jìn)行模擬計算。為研究墩木的支反力及變形情況，考慮下述布置方案。

5.1 增加墩木數(shù)量方案

由于尾部懸臂結(jié)構(gòu)較重，為減小尾部墩木的支反力，避免墩木破壞，可以適當(dāng)增加尾部的墩木數(shù)量。為盡量節(jié)省墩木的數(shù)量，考慮從尾部依次按照可布置墩木的位置，增加編號1、3、4…，直至墩木的支反力滿足墩木的設(shè)計載荷為止。各墩木支反力計算結(jié)果如圖6所示，尾部分水踵底部變形曲線如下頁圖7所示，支反力總和的變化曲線如圖8所示。

由上述計算結(jié)果可見，在增加尾部墩木數(shù)量的過程呈現(xiàn)以下趨勢：

（1）隨著尾部墩木數(shù)量的增加，支反力變化趨于平緩。但是，支反力總量卻向尾部集中，對船體局部強(qiáng)度可能不利；

（2）增加尾部墩木數(shù)量會逐步減小尾部變形。

5.2 更改墩木材料方案

船廠墩木的材料通常為松木和硬木兩種，具體參數(shù)見“GJB/Z203—2001”《艦艇坐塢船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算方法》中的龍骨墩材料特性表格［4］，參見表1。

表1 龍骨墩材料特性表

為進(jìn)一步研究墩木材料特性與支反力及變形的關(guān)系，在上述增加4塊墩木的基礎(chǔ)上，逐漸增加尾部墩木的材料彈性模量，具體做法是逐個將墩木材料由松木更改為硬木。各個墩木支反力計算結(jié)果如圖9所示，尾部分水踵底部變形曲線如圖10所示，支反力總和的變化曲線如圖11所示。

由上述計算結(jié)果可見，在增加尾部墩木彈性模量的過程呈現(xiàn)了以下趨勢：

（1）隨著尾部墩木彈性模量的增加，較大彈性模量墩木的支反力顯著增加。支反力總量向尾部集中的幅度較大，對船體尾部局部強(qiáng)度不利。

（2）隨著尾部墩木彈性模量的增加，船體尾部變形顯著減小。

由于硬木和軟木的許用應(yīng)力方面的差別，上述結(jié)果中墩木支反力隨墩木剛度的增加而增加，但未必能說明需要增加墩木接觸面積（墩木材料）。墩木最小接觸面積=支反力/墩木許用應(yīng)力，因此將支反力與許用應(yīng)力的比值進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖12所示。

由上述計算結(jié)果可見，當(dāng)硬木的布置數(shù)量增加到一定程度，使用硬木的墩木面積則小于使用松木的面積。在船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許的情況下，使用數(shù)量較少的硬木就能更好承受船體質(zhì)量，并控制尾部懸臂部分結(jié)構(gòu)的變形，這對于分水踵這種底部只有少量平底支撐面積的結(jié)構(gòu)來說是有利的。

6 墩木布置原則研究

根據(jù)上述計算方案對比和研究，對于尾部懸臂結(jié)構(gòu)部分較重的船型，可以總結(jié)以下布置原則：

一般情況下，在可接受的船體彎曲變形情況下，尾部區(qū)域應(yīng)盡量采用剛度較小的松木，將支反力更多沿船長方向均勻分布，這樣對船體結(jié)構(gòu)安全有利。

對于需要控制船體變形的情況，應(yīng)考慮在最尾端連續(xù)布置適當(dāng)數(shù)量的硬木墩木，具體數(shù)量可以通過計算最小接觸面積得到；同時為分?jǐn)偞w尾端結(jié)構(gòu)受力，向船首繼續(xù)適當(dāng)增加松木墩木的數(shù)量，在無集中質(zhì)量分布的船舯區(qū)域墩木的數(shù)量可逐漸減少。由于按此會引起尾部支反力增大，應(yīng)注意對尾部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核。

而對于尾部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度較弱的船，應(yīng)適當(dāng)減弱尾部墩木的剛度，不應(yīng)在尾部增設(shè)硬木墩木，避免造成結(jié)構(gòu)破壞。應(yīng)考慮盡量增加尾部墩木的數(shù)量以分散結(jié)構(gòu)的受力點(diǎn)，滿足尾部與墩木接觸區(qū)域結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。

對于目標(biāo)船而言，基于船廠建造的實際情況，由于分水踵底部與建造基線平齊，船廠建造中并不希望船體底部有太大的變形，且由于軸系較中是一種臨時狀態(tài)，船體變形太大可能對后續(xù)建造產(chǎn)生不良影響。

而且目標(biāo)船分水踵最尾端的底部在設(shè)計時進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)分水踵完全可以承受較大的墩木支反力。目標(biāo)船在建造中按照上述基本原則布置墩木，經(jīng)過計算和實踐驗證，船體強(qiáng)度、墩木強(qiáng)度均得到保證，且船體變形也得到控制，達(dá)到良好效果。

7 結(jié) 論

本文研究某大型公務(wù)船尾部墩木的布置方案，采用不同方法計算墩木支反力和變形，指出用彈簧單元模擬墩木在工程應(yīng)用的合理性。詳細(xì)比較尾部不同墩木布置方案的受力和變形特點(diǎn)，總結(jié)尾部懸臂區(qū)域的墩木布置原則，并基于此原則對目標(biāo)船進(jìn)行墩木布置，實船通過安全性檢驗。

［1］ 中國船舶工業(yè)總公司. CB/T 4000-2005 中國造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］. 2005.

［2］ 周上然.簡述墩木變形與反力的計算方法［J］.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報，2016（1）：16-20.

［3］ 莊茁. ABAQUS非線性有限元分析與實例［M ］. 北京：科學(xué)出版社， 2005.

［4］ 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會. GJB/Z203-2001 艦艇坐塢船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算方法［S］. 2001.

On layout of docking blocks for stern of large official vessellarge official vessel

ZHAN Rong1,2LIU Xin-yu2
(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

In this paper, the layout of the docking blocks for the deadwood at the stern of a large official vessel is studied when the ship is aligning the shaft on the shipway. The results under the dif f erent boundary conditions are compared and analyzed by the fi nite element method. It discusses the inf l uence of the number and the material properties of the docking blocks on the strength of the docking blocks and the deformation of the stern. The calculation results show that the increase of the number of the docking blocks will benef i t the uniform distribution of the reaction force, and the increase of the stif f ness of the stern docking blocks will benef i t the deformation control of the stern. The arrangement principle of the docking blocks is optimized according to the calculation results, in order to ensure the safety of the hull structure and the docking blocks during the ship construction.

large official vessel; deadwood; boundary conditions; docking blocks strength

U661.4

A

1001-9855（2017）04-0053-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.04.053

2016-12-26；

2017-01-20

詹 蓉（1986-），男，工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究。

劉新宇（1991-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究。