槽口方箱型船有限元边界条件施加方法研究

冀温凯，糜成杰，魏 利

(1．江苏科技大学，江苏镇江212003;2．南京市长江河道管理处，江苏 南京210011)

0 引言

随着港口和航道的开发建设，中小型挖泥船的需求越来越大，尤其是带有槽口的斗轮挖泥船和绞吸挖泥船，其主船体尺度、装机总功率、最大挖深等要素不断刷新，因而其主体结构强度和刚度日益受到重视。

挖泥船的结构强度可参照相应的规范进行计算，但对具有较长纵向槽口的主船体，其结构强度规范计算存有一定的局限性，所以需采用全船有限元方法进行直接分析计算［1，3］。然而由于目前行业还没有针对此类船的直接计算指导文件，有限元分析时边界条件及约束的施加较为随意，导致分析计算结果也存有较大的差异，因此考虑到这类船舶结构的安全性，有必要对此进行进一步研究和探讨［2，5］。为此，本文以1 750 m3/h斗轮挖泥船为分析对象，采用MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN软件对不同边界条件施加情况分别进行分析计算，探讨对带槽口主船体结构强度安全有利的边界条件施加方法。

1 船型特点及船体受力分析

1．1 船型特点

1 750 m3/h斗轮挖泥船为沿海非自航式挖泥船，主船体前部开槽区域用于铰接安放斗轮架等设施，中后部用于布置机泵舱和定位桩装置。船长59．8 m，型宽14．8 m，型深 3．9 m，结构吃水 2．3 m，槽口宽度5．5 m。图1为1 750 m3/h斗轮挖泥船示意图。

1．2船体受力分析

图1 1 750 m3/h斗轮挖泥船示意图

斗轮挖泥船主要包含挖泥作业和调迁航行2大工况。该船作业时主要受到斗轮切削力F1和定位桩的作用力F3等外力作用，如图2(a)所示。就主船体结构受力而言，作业时(LC1工况)主要包括由F1和斗轮装置重量G所引起的首端作用力F和支反力F2、F3以及内外舷静波水压力;调迁时(LC2工 况)则无F1和F3的作用，如图2(b)所示。

图2 挖泥船受力示意图

2 有限元模型及载荷施加

2．1 有限元模型

本模型坐标系采用右手直角坐标系，模型范围为整船，总节点数为175 015，单元数为126 425。本船船体结构用钢为CCS-A，泊松比0．3，弹性模量E=2．06 ×1011Pa，密度 7 850 kg/m3。全船有限元模型及厚度分布如图3所示。

图3 全船有限元模型及厚度分布

图4 载荷施加示意图

表1 各工况作用力 N

3 边界条件施加方法

2．2 载荷施加

2种工况时，集中作用力均以MPC方式施加在船体相应位置上，而静波水压力在PATRAN软件中用场模拟。载荷施加示意图如图4所示，具体作用力大小见表1。

由于本船属于带槽口的特种船舶，现在国内外规范中没有对此类船舶全船有限元边界条件提出明确要求，现参考规范中其他船型边界条件的施加方法并结合本船的受力特点采用6种不同的边界条件进行对比分析。

参考当前规范［6］里面集装箱船整船结构强度直接计算所给的边界条件，结合本船自身结构特点拟定出第1、第2种边界条件，具体约束条件参见表2，约束位置如图5、图6所示。图中粗线和数字为约束位置。表2中，σ表示线位移，θ表示角位移。

表2 边界条件1/2

图5 边界条件1示意图

图6 边界条件2示意图

第3种边界条件参考散货船舱段有限元计算所采用的边界条件，如图7所示;第4种边界条件与第3种边界条件相比，约束条件不变，仅将约束施加位置由舱壁底部改为相应舱壁的中和轴位置［4］;第5种边界条件结合集装箱与舱段计算的边界条件。具体约束条件见表3，约束位置如图7、图8所示。

表3 边界条件3/5

图7 边界条件3示意图

图8 边界条件5示意图

第6种方法采用惯性释放法［4，7］。水中航行的船舶处于完全自由状态，实际情况是没有位移约束的。在使用有限元进行静力分析时，如果没有施加边界条件会导致刚体发生位移，求解得到的刚度矩阵是奇异的。惯性释放法正好解决了这一问题，在MSC．PATRAN中可以用这种方法对完全没有约束的结构进行计算，避免了施加边界条件对结果的影响。具体操作方式是去掉支座，选取一个参考点，选定计算类型即可。计算原理是结构系统受到不平衡的外力会产生一定的加速度，程序将每个节点的加速度以惯性力的形式反加到结构上，从而使受力达到平衡。

4 结果与分析

采用通用的MSC．NASTRAN软件，对处于不同边界条件时船体结构进行了计算，其应力结果见表4、表5，应力云图如图9～图12所示。

表4 不同边界条件下船体结构的Von－Mises应力计算结果(LC1) MPa

表5 不同边界条件下船体结构的Von－Mises应力计算结果(LC2) MPa

图9 边界条件1作用下船体应力云图(LC1)

图10 边界条件3作用下船体应力云图(LC1)

图11 边界条件5作用下船体应力云图(LC1)

图12 边界条件6作用下船体应力云图(LC1)

根据计算结果及应力云图可以得出:

(1)在2种工况下，6种边界条件的应力值全部满足规范要求;工况1的应力值大于工况2的应力值。

(2)在作业工况和调迁工况时，边界条件3、边界条件4、边界条件5的应力值高于边界条件1、边界条件2、边界条件6，且边界条件6施加方式应力最低。

(3)在作业工况和调迁工况时，边界条件1与边界条件2、边界条件3与边界条件4的应力值相近，但后者船底板板应力要较前者高约30%;其中作业工况时，后者槽口侧板应力要较前者高约35%。

(4)在作业工况和调迁工况时，6种边界条件槽口端部舱壁的应力水平变化不大。

5 结论

本文在对带槽口方箱型斗轮挖泥船受力分析的基础上，利用有限元方法，分别进行了6种不同边界条件的施加计算，其应力结果均满足规范要求。

通过初步分析比较，边界条件3和边界条件4施加时，槽口部位应力水平较高，从而说明该边界条件施加方法对此类船结构分析偏安全较为有利。

对于带有首尾双槽口的方箱型船，本边界条件的施加仍有一定的参考作用，建议按边界条件3或边界条件4在槽口端壁施加。

［1］ 白建伟，李润培，顾永宁，胡志强．集装箱船整船有限元结构分析［J］．船舶工程，2000，(5):8-11．

［2］ 陈庆强，朱胜昌．大型集装箱船整船有限元分析计算技术研究［J］．船舶力学，2006，10(1):80-91．

［3］ 王从晶，夏利娟．全船有限元结构分析的若干关键技术［J］．上海交通大学学报，2010，44(6):768-772．

［4］ 张少雄，陈南华，张伟．8 000 t级江海直达驳船的全船结构强度直接计算［J］．船海工程，2005，(5):39-41．

［5］ 汪宏，曾宪邦，李志明．桩架改造设计方案的有限元分析［J］．江苏科技大学学报，2007，21(4):30-31．

［6］ 中国船级社．国内航行海船建造规范2012修改通报［M］．北京:人民交通出版社，2012．

［7］ 王永利．船舶结构强度全船有限元计算研究［D］．武汉:武汉理工大学，2006．

［8］ 蔡远，陈杰．200 m3全液压斗轮挖泥船设计［J］．江苏船舶，1999，16(3):1-5．