基于Femap軟件的下水牽引梁結構強度分析

景維文

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧 大連 116113）

船舶滑道下水是船舶下水的常見形式之一，具有可靠性高、摩擦力穩定、過載能力強、適應性廣等優點，已被越來越多的現代化船舶修造企業使用[1]。需要滑道下水的船舶一般在船臺建造，船體外底板由穿插布置的鋼墩與砂箱墩共同支撐，在這些墩之間提前鋪設滑道。船舶下水時，將船底鋼墩與砂箱墩卸力、撤出，使船體落至箱型梁上，再利用卷揚機將船體拉至半潛駁船或浮船塢中，再移至塢坑漂浮，至此船舶下水完畢[2]。

滑道下水又分為2 種方式：一種是拖移船體，另一種是拖移箱型梁。2 種方式都是通過摩擦力使船體和箱型梁沿滑道共同運動，但拖移船體需要在艏部或艉部焊接拖移吊耳，下水后切除吊耳，不僅費時費力，而且需要回塢補涂油漆，造成塢期的浪費。根據62 000 t 多用途紙漿船的下水需要，采用拖移箱型梁的方法下水，在箱型梁間設計下水牽引梁，下水過程中通過滑輪系統拖拽牽引梁前端實現整船滑向浮船塢，再實現整船下水。

1 船舶下水

62 000 t多用途紙漿船總長201.8 m，寬32.26 m，型深19.3 m，設計吃水12.5 m，載貨量62 000 t。

1.1 船臺布置

62 000 t 多用途紙漿船在船臺建造，艉朝海。該項目使用雙滑道拖移下水，艉封板距離碼頭邊緣約36.5 m，拖移到15 萬t 浮船塢終點時距離浮船塢抬升甲板首部距離約28.9 m，整體拖移長度約250.1 m。

滑道對稱布置在距離船體中心線6 250 mm 位置，滑道寬度1.8 m，有效寬度1 430 mm，滑道橫剖面示意圖如圖1 所示。該項目拖移使用箱型梁左右舷共計40 節，其中從艉向艏方向數第1 節為牽引梁，第2節～第4節和第20節（左右舷共計8節箱型梁）為普通箱型梁，規格為9 680×1 240×680（長×寬×高），艏部第5 節～艉部第19 節（左右舷共計30 節箱型梁）為加寬箱型梁，規格為9 680×2 500×680（長×寬×高）。左舷下水拖移示意圖如圖2所示，右舷對稱。

圖2 左舷下水拖移示意圖

1.2 下水牽引梁

出于安全考慮，在下水牽引梁尾側焊接4 個下水吊耳，距離中線1 925 mm 處有2 枚250 t 牽引吊耳，材質AH32。距離中線2 875 mm 處有2 枚60 t吊耳，材質Q235。首側箱型梁之間有一組250 t 連接吊耳，材質AH32。下水牽引梁結構示意圖見圖3。所有結構焊前需除銹，噴涂一遍車間底漆，焊后噴涂兩遍黃色油漆，焊接后，所有構件需要進行磁粉探傷。

圖3 下水牽引梁結構示意圖

2 下水牽引梁有限元模型的建立

計算下水牽引梁的強度，需要對下水牽引梁進行有限元建模以滿足計算要求。

2.1 確定坐標系、計算單位及材料屬性

模型采用直角坐標系，X軸與下水梁延長方向平行，Y軸與下水梁延長方向垂直，Z軸垂直下水梁工作平面向上[3]。計算模型長度單位為mm，力單位為N，應力單位為MPa。

其中箱型梁本體由普通鋼（Q235）制成，下水牽引梁部分和箱型梁間連接部分由普通鋼（Q235）和高強鋼（AH32）制成，因此計算模型中普通鋼屈服應力取235 MPa，高強鋼屈服應力取315 MPa。鋼材楊氏模量取2.05×105N/mm2，鋼材密度取7.85×10-6kg/mm3，泊松比取0.3。

2.2 有限元模型

利用Femap軟件建造下水牽引梁立體模型，箱型梁蓋板、側板、肘板、加強筋、吊耳等均簡化為薄板結構，使用板單元建立；箱型梁間連接可使用線單元模擬；結構中小肘板、小型開孔、三角板趾端等構件由于對強度影響較小，故沒有在模型中體現。有限元模型單元尺寸為50×50。

2.3 邊界條件和施加載荷

箱型梁和牽引梁底部在下水作業中與船臺滑道和浮船塢滑道直接接觸，本次計算采用邊界條件模擬滑道對箱型梁的限位作用，即在梁底部限制Z方向的位移自由度；在滑道與箱型梁接觸處，限制Y、Z方向的位移自由度；在箱型梁最后的眼板處限制整個模型沿箱型梁滑動方向的運動，即限制X、Y、Z3個方向的位移自由度，以模擬后部箱型梁對前端箱型梁的拉力。載荷作用位置及大小見表1。

表1 載荷作用位置及大小

3 下水牽引梁整體強度分析

本次計算根據DNV-OS-C102《STRUCTURAL DESIGN OF OFFSHORE SHIPS》（以下簡稱規范1）、DNV-OS-H205《Lifting Operations》（以下簡稱規范2）對下水牽引梁主體結構及吊耳分別進行強度校核[4]。

3.1 下水牽引梁鋼結構強度校核

本次計算根據規范1 確定材料屈服應力，其中板單元相當應力σ計算公式如下：

式中，σX為X方向膜應力；σY為Y方向膜應力；τd為X-Y平面內剪應力。

計算結果應遵循式（2）：

式中，fy為材料屈服應力（普通鋼為235 MPa，高強鋼為315 MPa）；γM為材料系數，取1.15；ηPeak為峰值應力系數，取1.36。

經計算可知，普通鋼相當應力（σ1）為277.91 MPa，高強鋼相當應力（σ2）為372.52 MPa。

根據規范2 安全系數規定，計算箱型梁（不包括吊耳和眼板部分）的安全系數γsf：

式中，γf為載荷安全系數，取1.3；γc為結果安全系數，取1.15；γcog為重心不確定系數，取1.05；γa為動載荷安全系數，取1.1。

計算可得，γsf=1.73。

根據公式（2）、（3），可得該工裝加強結構的材料屈服系數，該工裝下水牽引梁普通鋼許用應力σallow1、高強鋼許用應力σallow2為：

利用Femap軟件對下水牽引梁模型進行有限元分析計算，計算如下。

1）箱型梁原結構端部中層的水平板最大應力為185 MPa，超過σallow1，但超出量很小，可與周邊單元應力值取平均值處理，即平均值為152 MPa，小于σallow1，滿足強度要求。下水牽引梁相當應力云圖如圖4所示。

圖4 下水牽引梁相當應力云圖

2）箱型梁與250 t吊耳的連接區域最大應力為117.5 MPa，為高強鋼最大應力值，小于σallow2，滿足強度要求。

3）下水牽引梁最大變形為10 mm，位于牽引吊耳區域，整體變形比例小于1/1 000，可滿足應變要求。下水牽引梁位移云圖見圖5。

圖5 下水牽引梁位移云圖

3.2 下水牽引梁吊耳強度校核

由于吊耳結構的特殊性，對吊耳和眼板結構內部應力進行理論校核，主要校核吊耳的最大剪應力及眼板眼心處的最大拉應力，許用剪應力取屈服強度的0.4 倍，眼心處許用拉應力取屈服強度的0.45 倍，經校核，吊耳強度滿足要求。下水牽引梁吊耳校核結果如表2所示。

表2 下水牽引梁吊耳校核結果 MPa

3.3 下水牽引梁結構屈曲校核

下水牽引梁受力大，下水時容易失穩，從而出現結構局部變形。為此，要對下水牽引梁進行結構屈曲校核：

式中，σmax1為沿板格長邊最大壓應力；σmax2為沿板格短邊最大壓應力；τ為最大板邊剪應力；σU1為沿板格長邊平行方向的極限屈曲應力；σU2為沿板格短邊平行方向的極限屈曲應力；τU為極限屈曲剪應力；η為屈曲失效的應力倍增因子。

通過圖4 可知，吊耳間結構處于受壓狀態，最易發生屈曲。選取此處進行屈曲校核。該結構長560 mm，寬480 mm，厚26 mm。X方向最大壓應力-108.6 MPa，Y方向最大壓應力-85 MPa，最大剪應力46 MPa。計算板格屈曲利用率為0.53＜1，下水牽引梁結構屈曲強度滿足規范要求。

4 結束語

本文以62 000 t 多用途紙漿船為對象，研究下水牽引梁的結構強度問題。建立下水牽引梁、箱型梁有限元模型，施加重力載荷，通過設立滑道邊界條件來模擬船舶下水過程，計算得出船舶下水時牽引梁的應力和變形，校核牽引梁吊耳強度，對受壓區域板材進行屈曲強度校核，保證了船舶下水工裝的安全性與穩定性。該計算方法能夠客觀、合理地評估船舶下水工裝的安全性，對船舶下水具有指導意義。目前該系列船已全部完成下水，進一步驗證了該計算方法的科學性和安全性。