浮船塢橫向強度的有限元法評估基

羅維明，馮新龍，陳亮亮

（1.廣州星際海洋工程設計有限公司，廣州 5102502；廣州船舶及海洋工程設計研究院，廣州 510250）

1 前言

浮船塢是船舶建造、修理的關鍵設施，主要用于承建較大船舶產品，或用于吃水較深產品的出航。相對于干船塢而言，浮船塢具有投資少、移動靈活等優點，為人們所青睞。浮船塢大多為整體式、雙塢墻、U型鋼質全焊接結構，以保證其結構安全。浮船塢由于其結構特殊，橫向強度問題對結構設計優化、運營和維修有重要的影響。

橫向強度評估主要有以下幾種方法：有限元直接計算法、規范公式法和簡化方法[1]。挪威船級社（DNV）和中國船級社（CCS）發布了相應的浮船塢入級規范，給出了浮船塢的橫向強度計算方法。

本文基于中國船級社《浮船塢入級規范》（2009）計算了相關浮船塢的環境載荷，采用大型通用有限元軟件Patran[4]建立相關有限元模型，選取三種計算工況進行結構應力計算，按規范衡準進行強度評估，以保證其結構合理和使用安全。

2 船型概述與計算流程

2.1 船型概述

本浮船塢的主要參數，如表1所示。

表1 浮船塢主要參數

本浮船塢安全甲板及其以下結構采用橫骨架式；安全甲板以上的塢墻及第二層甲板、頂甲板采用縱骨架式；全塢設置間距不大于3個肋骨間距的強框架。由于塢體較寬，浮箱采用橫骨架式結構，更有利于保證船底的局部強度和船體橫向強度；安全甲板以下塢墻結構及浮箱結構，距離橫向剖面中和軸較近；安全甲板至頂甲板之間結構，距離橫向剖面中和軸較遠，縱向彎曲應力相對較大，故采用縱骨架式；安全甲板以下至浮箱甲板之間的塢墻結構采用水平撐桿及斜撐構件組成橫向構架，以有利于減輕結構重量。

2.2 計算流程

在浮船塢的結構設計中，塢體的構件是先根據船級社規范所要求的局部強度來確定，然后校核總縱強度和橫向強度。為了更真實的計算塢體的結構受力，采用有限元法直接計算更加合理，其計算流程見圖1。

圖1 橫向強度直接計算的流程圖

3 載荷計算及作用模式

浮船塢的橫向主要受力構件，在整個塢長范圍內均應滿足下列載荷分量的組合作用（一般情況下，可以忽略水平作用的靜水壓力影響），且載荷作用模式見圖2。

圖2 浮船塢沿船長Ls的重量分布曲線

（1）浮船塢自重q

包括塢墻自重和浮箱自重，在Patran程序中通過慣性載荷施加；

（2）進塢船舶重量P

根據中國船級社《浮船塢入級規范》2.2.2.3，進塢船重量分布曲線上的最大縱坐標值為1.167x9.81xFL/Ls（kN/m），如圖3所示。

圖3 浮船塢橫剖面載荷作用典型模式

為了更合理的反映載荷的作用方式，作者使用了CID Distributed Load方式施加在單元的邊界上，以及通過插值積分分別求出每個塢墩位置的壓力施加面壓力到塢墩位置的單元上，結果顯示后者更加合理；

（3）作用在浮箱甲板的靜水壓力Ps-deck

一般情況下，最嚴重的工況往往發生在吃水深度達到龍骨墩頂部之時（即進塢船的底部剛被抬出水面）；

（4）艙內靜水壓力Ps-tank

該壓力與上述（3）中的吃水相關，在Patran中通過編制一個場函數，用Pressure方式施加；

（5）塢底(浮箱底板)外部水壓力Ps-outbottom

該載荷與外部吃水有關，在Patran中通過編制一個場函數，用Pressure方式施加；

（6）內外塢墻反力R1、R2

計算的剖面部位上為達到重力與浮力平衡而所要求的內、外塢墻反力。計算時，可假定作用在內、外塢墻上的反力相等，即R1=R2。

4 計算模型

4.1 有限元模型

有限元坐標系統取右手坐標系：X方向為塢體的縱向，以塢首為正；Y方向為塢體的橫向，以塢中縱線向左舷為正；Z方向為塢體的垂向，以基線向上為正。模型縱向范圍（X方向）取“1/2 + 1 + 1/2”艙段，本文取船中FR101～FR154，；橫向范圍（Y方向）取整個塢寬；垂向范圍（Z方向）取從基線到頂甲板。

有限元模型的單元類型中，船底板及各層甲板、內外塢墻、縱桁腹板、強橫梁腹板、艙壁板等結構用殼單元模擬；艙壁扶強材、船底肋骨、甲板橫梁和縱骨、縱桁面板、強橫梁面板等用梁單元模擬。

模型中的網格尺寸一般為：縱向、橫向和垂向按300 mm左右為一個單元劃分；有限元模型的材料參數：整個結構采用船用A級鋼，其彈性模量E=2.06x105 Mpa、泊松比為0.3、密度為7 850 kg/m3；有限元模型單位：長度單位為毫米（mm），力的單位為牛頓（N），壓強單位為兆帕（MPa）。

4.2 三種計算工具

三種計算工況的邊界條件均為：對外塢墻與浮箱底相交處節點的線位移進行約束，左舷約束X、Y、Z向的線位移，右舷約束X和Z向的線位移。

計算工況包括以下三種：

（1）計算工況1

進塢船位于塢內、吃水為設計吃水（2.528 m）時的工況。把塢墩承受的載荷作為分布力作用在相應的單元位置；舷外及壓載水載荷作為分布載荷處理，分別作用在船底和舷外；

（2）計算工況2

以設計舉升能力舉升進塢船，且平浮狀態下的浮船塢吃水位置至龍骨墩頂時的工況，此時浮船塢吃水為4.20 m。把塢墩承受的載荷作為分布力作用在相應的節點位置。3號壓載艙的左右邊艙的水深為0.50 m、中間艙的水深為1.0 m；4號和5號壓載艙的左、右邊艙的水深為0.5 m、中間艙的水深為1.0 m；甲板、舷外及船底壓載水載荷分布如圖4所示。

圖4 甲板、艙底及壓載艙的靜水載荷分布圖（工況2）

（3）計算工況3

升沉過程中壓載水調配時可能出現的危險工況，取最大壓差時的工況，此時浮船塢的吃水為10.60 m。此工況時塢墩不承受進塢船舶的自重載荷。3號壓載艙的左右邊艙的水深為8.22 m、中間艙的水深為2.80 m；4號和5號壓載艙的左右邊艙的水深為8.14 m、中間艙的水深為2.80 m；甲板、舷外及壓載水載荷分布，如圖5所示。

圖5 甲板、艙底及壓載艙的靜水載荷分布圖（工況3）

5 強度衡準與結構評估

取模型中艙段（含艙壁）的計算結果，得出3種工況下模型各個方向的最大位移值，如表2所示。

表2 3種工況下模型位移最大響應值 (單位：mm)

由表2可知，最大合成位移時的響應為工況2，其最大合成位移圖，如圖6所示。

圖6 最大合成位移圖（工況2）

3種工況下各構件的計算應力值，如表3所示。

表3 3種工況下各構件最大應力響應值 (單位：MPa)

由表3可知，頂甲板、安全甲板、外塢墻板、內塢墻板的應力響應較小，安全裕度較大；浮箱甲板、浮箱底板、浮箱縱壁、橫艙壁和強構件的在3種工況中均響應較大，其中最大應力出現在工況2中的浮箱縱壁，其等效應力分布圖，如圖7所示。

圖7 中艙段浮箱縱艙壁等效應力分布圖（工況2）

中艙最大剪應力最大響應出現在工況2中；強構件面板的桿單元軸向力和橫向桁架撐桿的桿單元應力最大響應出現在工況3中，如圖8和9所示。

圖8 橫框架腹板面板桿單元軸向力分布圖（工況3）

圖9 中艙段橫向桁架撐桿軸向應力分布圖（工況3）

根據《浮船塢入級規范》，板單元的相當應力許用值為185/k（MPa）；基于腹板總高度的平均剪應力的許用值為100/k（MPa）；k為材料系數，根據文獻[5]取為1.0；橫框架強構件腹板上面板的桿單元許用應力為176/k（MPa）；橫向桁架撐桿的桿單元許用應力為141/k（MPa）。因此，本浮船塢的強度滿足要求。

6 結論與討論

本文根據中國船級社（CCS）《浮船塢入級規范》(2009)，對某新設計的浮船塢的橫向強度進行了計算。通過分析計算結果，可以得到以下結論：

（1）通過計算得到了浮船塢結構在設計載荷作用下的變形，最大合成位移時的響應為工況2，變形量為29.0 mm,相當于塢長的2.10%，變形不大，其結構強度能夠得到保證；

（2）浮箱甲板、浮箱底板、浮箱縱壁、橫艙壁和強構件的在三種工況中均應力響應較大，其中最大應力出現在工況2中，在設計中要給予關注。

綜上所述，浮船塢的橫向強度是有保證的，滿足作業工況的安全使用要求。