双体起重工作船总强度有限元分析

张彬

(泰州市地方海事局，江苏泰州225307)

0 引言

随着海洋石油开发、大型海上工程、港建水工作业、海上风电机场、造船工程和海难救助事业的发展，作为不可缺少的工程船舶的大型起重船近几十年来有了长足的发展。起重船是技术形态较复杂的工程船，除了涵盖常规船舶的技术特点外，还具有特殊的性能和要求。其与常规船在线型、主尺度和装载上主要差别为甲板面积大;船舶宽度与吃水之比远远超出常规船，起重船一般为6～14，常规船约为2～3;起重船船型以箱型居多。

700 t双体起重工作船是一艘特殊的起重船，由连接桥及两个对称的、具有相同线型且平行布置的片体组成，两个片体通过尾部连接桥紧紧地连接在一起。连接两片体的连接桥除了承受波浪载荷意外，影响最大的是横向弯曲及扭转力矩[1]。由于本文涉及的起重工作船兼具双体船和起重船的双重定义，结构形式又不同于一般的双体船，仅其尾部有连接桥，因此船的结构相对更为复杂。在分析双体船的总横强度及扭转强度时，一般采用有限元分析程序进行计算[2，3]。冯坚、谷家扬根据《内河高速船入级与建造规范(2002)》采用有限元方法对11.9 m双体交通艇总强度进行了有限元分析[4]，管义锋、黄涣青、谷家扬等[5]根据《海上高速船入级与建造规范(2005)》对沿海航区的27.6 m双体铝合金高速客船强度进行了分析，根据计算结果对船体的结构设计提出了合理建议。

本文利用大型有限元分析软件 MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN对700 t双体起重工作船总横强度及扭转强度进行校核。本船根据《钢质内河船舶建造规范(2009)》的要求进行设计建造。目前，该规范中关于连接桥设计的内容较少，但在总强度要求中提出应校核总横强度和扭转强度。

1 船舶主要参数

本船设计航区为内河B级，主要功能是将修理的船舶尾梢抬起，以便水下工程检修、保养，同时配置辅助加工设备，增强舾装码头能力。船体材料使用CCS－A级钢板，片体船底、甲板及舷侧骨架均为纵骨架式，连接桥及抗扭箱骨架为纵骨架式。本船总长60.00 m，水线长60.00 m，型宽41.20 m，型深3.20 m，设计吃水1.60 m，肋距0.50 m。总布置图和起重机构总成分别如图1和图2所示。

2 有限元模型

2.1 结构模型

700 t双体起重工作船为左右对称结构，整个模型取最上层主甲板以下全船结构。模型范围:整个船长;横向为整个船宽;垂向为从基线至最上层主甲板。模型片体/连接桥甲板、舷侧板、片体/连接桥底板、横舱壁/横隔板、纵桁、强横梁以及各强构件腹板等均采用二维3、4节点壳单元模拟，其他纵骨、加强筋以及强构件面板等用2节点梁单元模拟。本模型总节点数为112 026，单元数为171 577。模型材料:弹性模量E=2.06×105MPa，密度2.75 t/m3，泊松比0.3。模型如图3、图4所示。

图1 700 t双体起重工作船总布置图

图2 700 t双体起重工作船起重机构总成

图3 整体有限元模型

图4 有限元模型板厚分布图

2.2 边界条件及载荷施加

本模型坐标系为:坐标系统的原点取在船体中心线与基线相交处。X轴指向船首为正;Y轴由原点指向左舷为正;Z轴垂直向上为正。

参照《钢质内河船舶建造规范(2009)》第14.6.4节中双体船的边界条件对700 t双体起重工作船进行总横强度计算和扭转强度计算，边界条件及载荷施加如下:

(1)进行总横强度计算时，可将其中一个片体的底部施加约束。采取在舭部节点上施加线位移约束:ux=uy=uz=0，在船底强构件交叉节点上施加线位移约束:ux=uz=0。在另一个片体上施加连接桥垂向剪力，垂向剪力应平均施加在片体中纵剖面船底强构件的交叉节点上。

(2)进行扭转强度计算时，在连接桥中心点上施加全位移约束:ux=uy=uz=0，θx=θy=θz=0。扭转载荷施加在双体船的两个片体上。在片体形心处建立独立点，将独立点所在的纵向平面内的各节点与独立点进行刚性关联，然后在刚性点处施加扭矩。

3 工况及载荷计算

3.1 工况

根据《钢质内河船舶建造规范(2009)》(简称“规范”)，本船计算工况分为;LC1，总横强度计算; LC2，扭转强度计算。

3.2 载荷计算

3.2.1 总横弯矩

按“规范”第14.6.2.1节，双体船的总横弯矩可按下式计算:

式中:Mb为双体船的总横弯矩，kN·m;Bc为任一片体中心至连接校验处的距离，Bc=16.3 m;∇为排水量，∇=1 635.5 t;s为航区系数，s=9.0。

把上述数据代入后，Mb=29 058 kN·m

3.2.2 垂向剪力

按“规范”第14.6.2.2节，双体船在连接桥中纵剖面处的垂向剪力可按下式计算:

式中:Q为重向剪力，kN。

3.2.3 横向扭矩

按“规范”第14.6.2.3节，两片体因不同步纵摇引起的对横向X轴的扭矩可按下式计算:

式中:Mt为横向扭矩，kN·m;Ca为水线面修正系数，按“规范”中表14.6.2.3确定;b、b1分别为双体船片体宽度和连接桥宽度，b=8.6 m，b1=24 m;d为满载吃水，d=1.60m;r为计算半波高，B级航区取r=0.75 m;L为双体船的船长，L=60 m。

4 分析结果汇总

许用应力衡准是根据《钢质内河船舶建造规范》(2012修改通报)中表14.7.6.1选取，有限元分析应力结果汇总见表1。表中:σe为板单元中面相当应力;σl为板单元与板格长边和短边平行方向的表面力;τ为表示板或梁构件剪应力。700 t双体起重工作船整体变形如图5、图6所示。

5 结论

(1)从表1得知，700 t双体起重工作船结构强度满足《钢质内河船舶建造规范》(2012修改通报)要求的总横强度和抗扭强度要求。

(2)常规双体船连接桥都是从首部延伸到尾部，本船仅在尾部设有连接桥。在总横强度和扭转强度计算中发现，尾部上层建筑对于强度影响很大。由于强度需要，上层建筑的部分区域板厚从4 mm增厚到了6 mm。

(3)在计算中发现，Fr24至 Fr30片体距中12 000 mm处的内舷侧板受力较大，在设计中采用了加大加密强肋骨以及在连接桥上设置大肘板的方法减小应力。

表1 应力结果汇总表

图5 有限元模型变形图(横向弯曲)

图6 有限元模型变形图(扭转)

[1] 李永正，尹群，刘琰.双体船连接桥强度有限元分析[J].造船技术，2004，(6):18－21.

[2] 陈超核，杨永谦.有限元分析双体船扭转强度[J].海南大学学报自然科学版，2000，(6):126－130.

[3] 郑杰，谢伟，骆伟，胡要武，杨龙.穿浪双体船横向强度与扭转强度的有限元计算[J].中国舰船研究，2010，(2):14－18.

[4] 冯坚，谷家扬.11.9 m双体交通艇总强度有限元分析[J].江苏船舶，2010，27(3):5－10.

[5] 管义锋，黄涣青，谷家扬.双体铝合金高速客船强度有限元分析研究[J].船舶工程，2001，33(6):14－17.

[6] 中国船级社.钢质内河船舶建造规范[M].北京:人民交通出版社，2009.