極地運(yùn)輸船坐墩有限元計(jì)算研究范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了極地運(yùn)輸船坐墩有限元計(jì)算研究參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫(xiě)作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：本文以極地模塊運(yùn)輸船為例，簡(jiǎn)單介紹了一種使用有限元軟件進(jìn)行坐墩計(jì)算的方法和過(guò)程，解決了艏艉布墩困難的問(wèn)題，并對(duì)優(yōu)化措施進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

關(guān)鍵詞：極地船；塢墩；載荷；有限元

前言

公司建造的極地模塊甲板運(yùn)輸船，空船重量約兩萬(wàn)六千噸，能在1.5米厚的冰區(qū)以2節(jié)的航速連續(xù)破冰航行，因此船艏部設(shè)計(jì)成大角度外飄形式。艏部（肋位FR225以前）重量約3800噸，但平底區(qū)面積不足23平方米，集中在艏部最后端的側(cè)推突出體下方，其中還包含有大接縫、分艙標(biāo)志等布墩應(yīng)避開(kāi)的區(qū)域，船體外板距基線的高度在2.1米以上，而且與水平面夾角較大，艉部也存在類(lèi)似情況，因此本船塢墩布置非常困難。

1常規(guī)坐墩計(jì)算方法及缺點(diǎn)

目前布墩設(shè)計(jì)時(shí)使用的塢墩載荷計(jì)算方法：根據(jù)船舶下水重量及其分布曲線，得出船舶單位長(zhǎng)度的線載荷，然后換算成塢墩載荷。缺乏上述資料時(shí)，下水重量按空船重量的一定比例選取，縱向按區(qū)域設(shè)置不均勻系數(shù)，在機(jī)艙段取1.8-2.2，平行中體取1，首部取0.85。塢墩又分為中龍墩和邊墩，按首中尾分別給予固定的載荷分配比例（放有一定余量）。這樣的計(jì)算方法雖然簡(jiǎn)單方便，但這些參數(shù)是基于常規(guī)船型的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于常規(guī)船型一般可以滿(mǎn)足要求，對(duì)于一些特種船可能誤差很大。特別是首尾線型比較獨(dú)特的，比如半潛船、極地模塊運(yùn)輸船、高速船等，實(shí)際的重量縱向不均勻系數(shù)很有可能超過(guò)了可選取范圍，其可布墩范圍往往也難以滿(mǎn)足常規(guī)要求，中龍墩和邊墩的固定比例載荷分配過(guò)于僵化，且只能用來(lái)簡(jiǎn)單評(píng)估塢墩和塢底的受力情況，艏艉端部塢墩載荷誤差大，因此原方法不具參考意義，難以評(píng)估塢墩及船體結(jié)構(gòu)是否安全，存在安全隱患，容易導(dǎo)致事故發(fā)生。

2解決方法

按照目前造船行業(yè)的生產(chǎn)模式，若不能及時(shí)有效地解決此類(lèi)問(wèn)題，必然影響建造周期，甚至破壞整個(gè)工廠的生產(chǎn)計(jì)劃，很可能造成很大的連帶損失。要解決這一問(wèn)題，可采用有限元計(jì)算方法對(duì)極地模塊運(yùn)輸船坐墩時(shí)可能的危險(xiǎn)工況進(jìn)行模擬計(jì)算，然后分析結(jié)果，結(jié)合實(shí)際情況制定有效措施來(lái)化解。

3坐墩有限元計(jì)算方法

3.1船體結(jié)構(gòu)的有限元模擬全船建模，使用板梁復(fù)合模型。所有的大板包括外板、內(nèi)底、上甲板、內(nèi)甲板、內(nèi)部平臺(tái)、縱橫艙壁、強(qiáng)框架腹板等用板殼單元模擬，尺寸較小的結(jié)構(gòu)和開(kāi)孔可以忽略或簡(jiǎn)化處理，上建等不影響船體梁特性且不會(huì)出現(xiàn)高應(yīng)力的結(jié)構(gòu)也可忽略或簡(jiǎn)化處理。所有的骨材、加強(qiáng)筋、小支柱以及主要支撐構(gòu)件面板等型材用梁?jiǎn)卧M，梁?jiǎn)卧鶕?jù)實(shí)際情況進(jìn)行偏心處理。全船采用粗網(wǎng)格形式，但局部可能出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)應(yīng)該進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，才能得到準(zhǔn)確的應(yīng)力分布情況，便于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的評(píng)估。模型應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行分組，以方便后續(xù)工作（賦屬性、加載荷/邊界條件、查看結(jié)果、修改模型等）為原則。網(wǎng)格模型建好后應(yīng)該進(jìn)行一次檢查，看模型是否有錯(cuò)漏，單元是否有重疊、畸形等，相連板之間的網(wǎng)格匹配和粗細(xì)過(guò)渡等是否合適等。檢查后便可進(jìn)行賦屬性的工作，新造船坐墩計(jì)算不同于規(guī)范計(jì)算，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)腐蝕尚未發(fā)生，所有板厚及型材尺寸應(yīng)使用建造尺寸。

3.2模型重量分布與實(shí)船匹配的方法所有單元被賦予屬性之后，模型便有了自身的質(zhì)量。由于模型是實(shí)際結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模擬，大量肘板、補(bǔ)板、小開(kāi)孔等小尺寸構(gòu)件被忽略，上建、甲板室等結(jié)構(gòu)也未建模，使得結(jié)構(gòu)方面的重量重心與實(shí)船存在一定的誤差，而舾裝部分也無(wú)法按實(shí)際情況建模，將導(dǎo)致更大的總誤差。大結(jié)構(gòu)未建模部分可用質(zhì)量塊模擬，比如上建可根據(jù)其實(shí)際總的重量（包含上建舾裝）重心，創(chuàng)建一定數(shù)量的質(zhì)量單元，分布在上建與主船體相連接的位置處，這需要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)形式來(lái)判斷主要的載荷傳遞路徑，傳力多的地方多布，傳力少的少布或不布，質(zhì)量單元的總重量重心（高度方向不考慮）應(yīng)與實(shí)際情況基本吻合。大的舾裝件，比如主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐、推進(jìn)軸、螺旋槳、舵、軸轂、錨等也可用質(zhì)量單元來(lái)模擬，在其實(shí)際位置，視其具體尺寸和重量設(shè)置一個(gè)到多個(gè)質(zhì)量單元。被忽略的小結(jié)構(gòu)、油漆及廣泛分布的一些舾裝件（管系、電纜等）可使用均攤方式，均勻地附加到已建模的所有結(jié)構(gòu)當(dāng)中去，這可以通過(guò)調(diào)整材料密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體可采用以下方法：沿船長(zhǎng)方向?qū)⒋瑒澐殖扇舾啥危孜餐怙h部分各分一個(gè)段，中間部分的可以劃分得長(zhǎng)些，首尾其它區(qū)域應(yīng)盡量劃分得短些，然后讀取各區(qū)域模型的重量重心數(shù)據(jù)，對(duì)比實(shí)際統(tǒng)計(jì)出來(lái)的重量重心，選取其中誤差最小的一個(gè)段（模型都會(huì)小于實(shí)際，由于舾裝布置特點(diǎn)及模型簡(jiǎn)化，各區(qū)域誤差會(huì)不同）作為基礎(chǔ)來(lái)最先調(diào)整。調(diào)整密度可以改變重量，并不能調(diào)整重心，因此調(diào)整重心需要?jiǎng)?chuàng)建質(zhì)量單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，質(zhì)量單元會(huì)同時(shí)影響重量和重心，和密度的調(diào)整要協(xié)調(diào)起來(lái)，最終達(dá)到重量重心都吻合的目的。質(zhì)量塊的創(chuàng)建是將比較分散的重量集中化，因此應(yīng)盡量少創(chuàng)建，為了減少對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，應(yīng)盡量設(shè)在縱艙壁一類(lèi)結(jié)構(gòu)上且遠(yuǎn)離底部的位置。單個(gè)質(zhì)量塊的重量可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定，單個(gè)較重，一般調(diào)整就較簡(jiǎn)單，但誤差就會(huì)稍大，反之亦然。密度調(diào)整后，其它區(qū)域的重量均會(huì)有變化，再根據(jù)其新的重量重心偏差值，分別在合適的位置創(chuàng)建質(zhì)量單元來(lái)調(diào)整到實(shí)際值。通過(guò)以上方法，分段調(diào)整、逼近實(shí)船的重量分布曲線，理論上分得越多越精確。通常首尾端部的塢墩載荷較大，是重點(diǎn)關(guān)注位置。首尾外飄部分的重量產(chǎn)生的力矩對(duì)端部塢墩載荷影響非常大，因此最好將外飄部分作為一個(gè)段來(lái)調(diào)整，中體部分重量較均勻，塢墩相對(duì)可能較多，載荷和應(yīng)力往往都比較小，所以段可以劃分得長(zhǎng)一些，其它位置則可以劃短些。本船劃分成7個(gè)區(qū)域段來(lái)調(diào)整，調(diào)完以后的模型與實(shí)船在重量分布和坐墩強(qiáng)度上都達(dá)到基本一致。

3.3塢墩和墊木的模擬常規(guī)塢墩及墊木的規(guī)格尺寸是統(tǒng)一的，所有的塢墩及墊木組成一個(gè)支撐系統(tǒng)，支撐起整條船。因此每個(gè)墩可以簡(jiǎn)化為一個(gè)彈簧，彈簧的下端與塢底連接，上端與船底連接，在模型中使用彈簧單元來(lái)模擬，見(jiàn)圖1，彈簧單元的長(zhǎng)度取墩的總高度約1.76米。由于水泥墩剛度很大，幾乎沒(méi)有彈性，所以彈簧系數(shù)（剛度）主要依據(jù)墊木的參數(shù)來(lái)計(jì)算。墊木的剛度與其水平截面積、楊氏模量成正比，與高度成反比。實(shí)際上船底與墩之間為接觸面，只能傳遞壓力，而不可能有拉力。但有限元計(jì)算時(shí)，如果船體梁中拱較大就可能在船中某些位置出現(xiàn)拉力，事實(shí)上所在位置已經(jīng)與塢墩脫離接觸。這需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果去人工修改模型，放開(kāi)（或刪掉）出現(xiàn)拉應(yīng)力的彈簧再計(jì)算，再看結(jié)果，再放開(kāi)有拉應(yīng)力的彈簧，再計(jì)算，直到不再有彈簧出現(xiàn)拉應(yīng)力。通過(guò)多次迭代計(jì)算來(lái)逼近真實(shí)狀態(tài)，一般2-3次即能滿(mǎn)足需要。如果軟件可以處理接觸非線性，那就不必進(jìn)行迭代計(jì)算。

3.4載荷及邊界條件的施加方法船在塢內(nèi)建造時(shí)，到了出塢前夕，將拆除所有高架撐、補(bǔ)涂外板油漆。此時(shí)船的重量達(dá)到最大，但支撐數(shù)量反而有所減少，且高架撐一般都布置在艏艉線型收縮處，拆除后，艏艉有效支撐點(diǎn)大幅減少，塢墩受力狀態(tài)急劇惡化，當(dāng)空船縱傾較大時(shí)，還需要進(jìn)行壓載配平，這就又增加了重量，此時(shí)風(fēng)險(xiǎn)最大，所以對(duì)此進(jìn)行重點(diǎn)分析。極地模塊運(yùn)輸船空船出塢時(shí)，重量約25950噸，首傾約1.35米。平浮出塢時(shí)，需要在靠近尾部的艙室內(nèi)加1740噸壓載水。本文分別對(duì)此進(jìn)行計(jì)算，設(shè)為工況1和工況2。在這兩個(gè)工況中，載荷都只有重力，可通過(guò)施加重力加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。塢底為混凝土結(jié)構(gòu)，剛度非常大，因此可在塢墩（彈簧）的下端施加邊界條件，約束掉三個(gè)方向的平動(dòng)自由，不約束轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)計(jì)算模型已處于自由動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，為消除剛體位移，還需要增加一些額外的約束才能計(jì)算，否則計(jì)算無(wú)法收斂。可以如下設(shè)置：將船舯甲板邊緣處左右兩個(gè)節(jié)點(diǎn)約束住X向（船體坐標(biāo)系）位移，中縱艙壁與甲板相交處挑數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)約束住Y向位移，其余不約束。這樣既能滿(mǎn)足計(jì)算的需要又能將不利影響降到最低。

3.5計(jì)算結(jié)果經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)工況下艏部和艉部均有一定數(shù)量的塢墩載荷超出了設(shè)計(jì)安全載荷（200噸），見(jiàn)圖2，而船體結(jié)構(gòu)本身的應(yīng)力水平都在安全范圍內(nèi)，這是因?yàn)楸敬捎谄票猛径罅坎捎酶邚?qiáng)鋼厚板。圖2艉部右側(cè)部分塢墩載荷(單位:噸)

4優(yōu)化加強(qiáng)措施

艉部共有8個(gè)塢墩載荷超標(biāo)，要解決這個(gè)問(wèn)題，常規(guī)主要有2類(lèi)辦法，一種是增加塢墩數(shù)量，另一種是提高塢墩承壓能力，都簡(jiǎn)單而有效。結(jié)合本船實(shí)際，艉部只有軸管下能布墩，寬度方向只能布一個(gè)，線型已往上收，塢墩又必須布在強(qiáng)結(jié)墩，勢(shì)必增加塢墩高度，過(guò)高的墊木風(fēng)險(xiǎn)加大，個(gè)別塢墩顯著高出其它塢墩對(duì)出塢也不利（本船是艉部先出塢）。而另一種方法就好的多了，只需將常規(guī)塢墩換成設(shè)計(jì)載荷350噸的修船墩即可。還有一種轉(zhuǎn)移載荷的方法，主要原理為降低高載荷區(qū)塢墩的剛度，然后通過(guò)船體梁自身的變形協(xié)調(diào)將部分載荷轉(zhuǎn)移到附近其它塢墩上去，此方法計(jì)算量較大，對(duì)相關(guān)工藝控制要求較高。如果以上辦法都解決不了問(wèn)題，還可以減少相應(yīng)位置的結(jié)構(gòu)或設(shè)備的重量，這種措施劣勢(shì)很明顯，直接導(dǎo)致完整性下降，原本可在塢內(nèi)做的大量工作只能放到碼頭去做，對(duì)軸系望光也有不利影響（艉部采用時(shí)）。艏部的塢墩集中布置在側(cè)推突出結(jié)構(gòu)下，塢墩受力狀態(tài)比艉部更加惡劣，情況更復(fù)雜。艏部塢墩布置已經(jīng)非常密集了，除側(cè)推突出結(jié)構(gòu)以外，外板距基線都非常高，如果使用常規(guī)塢墩已經(jīng)沒(méi)有任何位置可以增加了。前方艏柱與水平面夾角較小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，可以考慮在下方增加支撐，但不能使用常見(jiàn)的高架撐（本船外板油漆特殊，下水后不能再補(bǔ)涂），因此可設(shè)計(jì)一個(gè)專(zhuān)用的支撐桁架，通過(guò)墊木與艏柱接觸，安全而有效。或者將現(xiàn)有普通塢墩更換為特殊支撐，換用橫梁鋼墩系統(tǒng)，見(jiàn)圖3，由于鋼墩承壓能力較大（300噸），又能增加一定數(shù)量的支撐，也能在一定程度上緩解單個(gè)塢墩載荷過(guò)大的現(xiàn)象，但改善空間較少，耗材較多，工藝控制較難。圖3艏部?jī)?yōu)化方案二--橫梁鋼墩系統(tǒng)

5措施驗(yàn)證

艉部解決方案為更換承載能力更強(qiáng)的塢墩，更換塢墩后，問(wèn)題順利解決。艏部的第一個(gè)優(yōu)化方案非常有效，而且可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)調(diào)整桁架的規(guī)格，可以獲得不同承壓能力，安全系數(shù)容易控制。但對(duì)出塢方式有一定限制，只能是尾部先出塢，由于是根據(jù)線型特制的，只能用于同一船型，重復(fù)利用率較低。假設(shè)艏部先出塢時(shí)，也同樣適用于尾部。第二個(gè)優(yōu)化方案也能解決問(wèn)題，但裕度不足，風(fēng)險(xiǎn)較大，需要補(bǔ)充一些優(yōu)化措施。由于使用的工裝件是現(xiàn)有的或是標(biāo)準(zhǔn)化的常用品，下次有需要時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況再進(jìn)行組裝布置，重復(fù)利用率較高，適用范圍大。極地模塊運(yùn)輸船艏部坐墩方案采用了第二個(gè)方案，目前1#船和2#船均已順利出塢，說(shuō)明了這一整套的計(jì)算方法和解決措施是有效的。

6結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)本文所述方法，可以獲得任意船舶坐墩時(shí)塢墩載荷的分布情況，既能發(fā)現(xiàn)所有可能的危險(xiǎn)因素，對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性處理，消除隱患，防止事故發(fā)生，又能避免無(wú)謂的加強(qiáng)，減少相應(yīng)工裝的使用量，既節(jié)約成本，又可縮短工期。

參考文獻(xiàn)

[1]黃浩主編.船體工藝手冊(cè)（第3版）.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2013.

[2]干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范CB/T8524-2011

[3]船舶進(jìn)出干船塢技術(shù)要求CB/T3677-2015

作者：王亮 單位：廣船國(guó)際技術(shù)中心