某设备加强结构优化设计研究

王颖博 田喜民，2 顾汉才

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011；2.上海交通大学 上海 200240）

0 引 言

一设备处于某型船直升机机库顶部，由于该型船功能及布置的特殊性以及该设备对结构强度、刚度和振动性能提出了较高的要求，且该设备下方无围壁和支柱作为支撑，因此结构的设计非常困难。本文对所采用的两种加强方法进行了计算与对比分析。

1 设备加强结构

根据总布置及结构规范设计要求，本文设计了两种典型结构加强形式（分别如图1、图2所示）。

图1 筒形加强结构

图2 纵横桁材加强结构

第一类加强形式为筒型加强结构，其直径与设备基座直径相等；第二类加强形式为纵横桁材加强结构。这两类加强形式的结构都与邻近的强构件相连接。

2 有限元计算模型

该设备加强结构采用有限元法进行对比分析，有限元模型采用“MSC.PATRAN/NASTRAN”计算软件。模型范围以设备基座（04甲板FR33+325 mm、船舯）为中心:横向至左右两舷外板；纵向由FR30上层建筑后端壁至FR44强横梁；垂向由基座平面至03甲板。两种加强方案的有限元模型分别见图3和图 4［1］。

图3 筒形加强方案结构模型

图4 纵横桁材加强方案结构模型

三维有限元模型包括甲板及其下纵横桁材和骨材、基座、舱壁及其扶强材等。所有板材均以壳单元进行模拟；船体结构的强构件（包括纵桁、强横梁及舱壁强扶强材）的腹板采用壳单元进行模拟，面板采用梁单元进行模拟；纵骨、加强筋、舱壁扶强材等采用梁单元进行模拟。基座面板、腹板和肘板采用壳单元进行模拟。距设备基座平面中心1276 mm高度处设置节点，与螺钉孔之间建立MPC连接。

3 载荷计算及工况

3.1 计算工况

本设备所受载荷可分为12个工况，如表1所示。

表1 计算工况

3.2 载荷计算

设备主要参数如下:

计算载荷由三部分组成:设备工作时所受载荷、设备重量G及船舶运动的惯性力。上述三个力可分解为沿X轴、Y轴和Z轴方向的力FX、FY和FZ（X轴沿船纵向，Y轴沿船横向、Z轴沿船垂向）。

船舶处于不同的状态下的计算载荷均不同。

船舶处于横摇状态，方位角β=90°时

船舶处于横摇状态，方位角β=0°时

船舶处于纵摇状态，方位角β=0°时船舶处于纵摇状态，方位角β=90°时

式（1）～（4）中:

K为动力系数，由于设备布置在较高的上层建筑上，此处取2.2；

α为设备工作时的角度，此处取0°、-20°和60°；

φ为最大横摇角，此处取30°；

θ为最大纵摇角，此处取9°；

PX，PY，PZ分别是沿X轴、Y轴和Z轴方向的船

舶运动的惯性力（X轴沿船纵向，Y轴沿船横

向、Z轴沿船垂向）。

在横摇状态下，船舶运动的惯性力为

在纵摇状态下，船舶运动的惯性力为

式（5）、（6）中:

Tφ为横摇周期，此处取13 s；

Tθ为纵摇周期，此处取6 s；

X，Y，Z为设备质心到舰艇质心的距离，

此处 X=-41.26 m，Y=0 m，Z=14.13 m；

R为舰艇质心轨迹半径，m。

式（7）中: f（C1）， f（C2）为相关函数。

式（8）、（9）中:

式（10）、（11）中:B 为船宽，m；T 为设计吃水，m。

舰艇摇摆时所引起的惯性力如表2所示。

表2 惯性力kN

对应工况的载荷情况如表3所示。

表3 各工况载荷kN

4 衡 准

由于本设备对船体加强结构的应力、振动及刚度均提出了较高的要求，因此设备加强需满足规范相应衡准要求，各衡准要求详见4.1～4.3。

4.1 许用应力

按照《水面舰艇结构设计计算方法》［2］，在各种工况下，该设备加强构件计算相当应力的许用值:

此处:σs为材料屈服应力，取235 N/mm2。

4.2 稳定性

为保证该设备加强构件稳定性，甲板的剪切力τ＜0.5 τcr，τcr为临界应力。

按照《船舶设计实用手册结构分册》，单向受压矩形板的欧拉剪应力 τE为［3］:

式中:a，b为矩形的两边长度；t为板厚。

04甲板计算板格尺寸如图5所示，板厚7 mm，两边长分别为650 mm、2600 mm。

图5 稳定性计算板格简图

计算出欧拉剪应力以及临界应力分别为:

4.3 振动许用值

该设备加强结构的自振周期要T要求为:

5 计算结果及分析

5.1 计算结果

两类加强形式采用有限元方法针对12种工况分别进行计算。筒形加强结构计算结果如表4所示，纵横桁材加强结构计算结果如表5所示。

表4 筒型加强结构计算结果

表5 纵桁桁材加强结构计算结果

5.2 应力云图

两类加强结构形式最大应力云图见图6、图7

图6 工况4 筒形加强结构桁材相当应力云图

图7 工况2 纵横桁材加强结构桁材相当应力云图

图8 工况6 筒形加强结构变形云图

5.3 结果分析

由计算数据可见，两类加强结构形式均满足规范衡准要求。

比较表4和表5的计算结果，我们可以看出:

（1）筒型加强结构与纵横桁材加强结构相比较轻、加强结构形式较简单、现场施工也难度小。从经济性的角度考虑，筒型加强结构形式要优于纵横桁材加强结构形式。

（2）由于设备基座腹板为圆形结构，因此采用筒型加强结构，可以使设备基座腹板和基座肘板与筒形加强结构有较好的对应连接，有利于力的传递与分散，从而降低各构件的最大应力。

比较两种结构加强形式的应力云图可以发现，筒型加强结构的应力分布较均匀，且通过基座的肘板腹板可以有效地传递至纵桁和横梁；而纵横桁材加强结构的应力分布较集中，基座的肘板腹板承受了较大的应力［4］。

（3）两种加强形式设备加强结构受力后的变形计算，都没有明显优于对方。虽然不同工况下各有所示，最大变形云图见图8、图9所示。大小，但都远小于设备要求的变形，满足设备运行的需要。

图9 工况9 纵横桁材加强结构变形云图

6 结 论

本文利用有限元方法对某设备的加强结构进行优化设计研究，发现筒型加强结构加强形式简单轻便，且便于力的传递，因此在某船上最终采用此种加强结构形式。本文为船用设备的结构加强提供参考，对船舶结构设计具有一定的参考意义。

［1］汤卫民，王颖博，陈永兵.绞盘基座加强结构设计［J］.船舶，2010（4）:24-27.

［2］中国人民解放军总装备部.GJB/Z119-99水面舰艇结构设计计算方法［S］.1993.

［3］中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册:结构分册［M］.北京:国防工业出版社，2002.

［4］中国船级社.船体结构强度直接计算指南［M］.北京:人民交通出版社，2001.