拖桩结构选型的有限元应用

李小叶，程 祥

(江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003)

0 引言

某多功能执法艇航行于内河B级航区，具有巡航、指挥、排档、拖带等多种功能。受航道的影响，该船吃水和船长受到限制。为了给舵机提供安装空间，尾部甲板必须局部升高。满足各项执法功能后，该船的拖桩只能布置在尾甲板的高度变化部分。由于拖桩结构形式比较特殊，为了确定其所受应力大小，采用有限元分析的方法，对其结构进行应力分析。

1 拖桩的结构设计

该船的拖桩布置如图1所示。在拖桩结构设计过程中，有3种方案可供选择。方案1，拖桩安装在升高甲板上，不伸入主甲板;方案2，拖桩伸入主甲板下，与主甲板下的甲板纵桁连接;方案3，拖桩伸入主甲板下，与船底板及中内龙骨连接。详细的结构如图2～图4所示。

图1 拖桩布置图

2 有限元应用于拖桩结构计算

以上3种设计方案中，拖桩及其连接构件的应力和变形情况有着很大的区别。为尽量真实反映拖桩及其连接构件的应力和变形情况，采用有限元法进行计算，为方案选择提供依据。

2.1 有限元模型

(1)几何模型建立

几何模型的建立对于有限元计算来说是非常重要的。建立准确的几何模型为建立良好的有限元模型提供了方便。根据结构详图，建立了甲板、横梁、强横梁、甲板纵桁，舷侧板、肋骨、强肋骨，船底板、中内龙骨，拖桩立柱及横杆等几何模型。

(2)单元类型选取

单元是用来模拟研究对象物理特性的基本单位，单元类型的选取应符合物体的变形和受力特征。甲板板、舷侧板、船底板采用板单元模拟;强横梁腹板、甲板纵桁腹板、强肋骨腹板、中内龙骨腹板采用板单元模拟;拖桩立柱及横杆采用板单元模拟;横梁、肋骨采用梁单元模拟;强横梁面板、甲板纵桁面 板、强肋骨面板、中内龙骨面板采用梁单元模拟。

(3)网格单元划分

有限元通过划分网格单元对整个模型进行离散处理。划分网格后，原来的几何模型将用众多的物理单元来模拟。网格单元划分质量的好坏直接影响到计算结果的精度。结构的网格划分参照《钢质内河船舶船体结构直接计算指南》(2002)中的相关规定:沿船长方向，每档肋位划分2个单元;沿船宽方向，划分16个单元;沿型深方向，划分4个单元。同时控制板单元的长宽比尽量接近1。

3种方案的有限元模型如图5～图7所示。

2.2 计算结果

模型的载荷为拖桩上57.6 kN的拖力，以集中力的形式施加在拖桩上。强肋位处为简支约束，约束各节点的3向位移;横舱壁处为固定约束，约束各节点的3向位移和3向转角。

(1)等效应力

图8～图10为3种方案的等效应力图，3种方案中拖桩连接构件的的最大等效应力见表1。

表1 拖桩连接构件最大等效应力

(2)剪切应力

图11～图13为3种方案的剪切应力图。3种方案中拖桩连接构件的的最大剪切应力见表2。

(3)变形情况

图14～图16为3种方案的变形图，3种方案中拖桩连接构件的最大变形量见表3。

表3 拖桩连接构件最大变形量

3 方案对比

通过以上的有限元计算数据和图形，对3种方案进行对比，得出以下结论:

(1)方案1拖桩连接构件的等效应力和剪切应力最大，方案2次之，方案3最小。

(2)方案1拖桩连接构件的等效应力和剪切应力分布比较集中，主要集中在拖桩根部区域;方案2和方案3相比而言应力分布要均匀些。

(3)3个方案的拖桩连接构件的变形情况，方案1的变形范围要大一些，方案3变形范围最小，方案2变形值最大。

(4)由拖力引起的拖桩连接构件的应力主要位于沿船宽方向的3倍拖桩立柱直径内，超出此范围，应力值迅速减小。

(5)从施工的角度来看，方案1拖桩直接与甲板焊接;方案2拖桩深入主甲板，与甲板纵桁连接;方案3伸入主甲板下，与船底板及中内龙骨连接。方案3较前2个方案复杂一点。

构件的强度是结构设计中优先考虑的因素。虽然方案3较前2个方案施工过程复杂些，但其应力及变形量远远优于前2个方案。为了保证拖桩的强度，选择了方案3为最终的施工方案。

4 结语

应用有限元计算方法，船体局部构件的应力及变形情况能形象地在图形中得到反映，为结构设计带来方便。该多功能执法艇拖桩及其连接构件方案设计中，3种方案的优劣通过有限元计算，表明第3种方案降低了船体构件的应力，减小了构件变形量。目前该多功能执法艇已经投入使用，在拖带的过程中，拖桩及其连接构件无明显变形，使用效果良好。