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)
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。
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。
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。
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
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
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。
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。
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:
该设备加强结构的自振周期要T要求为:
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
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
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
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.