综合集成桅杆的简化研究

，

(华中科技大学 船舶与海洋工程学院 武汉，430074)

实船桅杆结构前期的简化对桅杆性能研究起着至关重要的作用。一方面，简化后的模型需要与实船桅杆的振动、强度等结构性能基本保持一致；另一方面，简化后的模型影响着缩尺模型的制作，包括焊接工时、制作成本和施工工艺等因素。本文首先基于图纸建立完整的实船桅杆结构有限元模型，然后从振动和刚度两个方面对比简化结构的有限元模型与原型,分析简化的可行性，最后考虑缩尺模型焊接局限对分层甲板间的舱室隔板进行等效简化。

1 实船桅杆结构的仿真

1)桅杆结构包括大桅主体、小桅、橫桁以及围住大桅的01～05甲板。其中大桅为薄壁筒形结构，主体内部有分层甲板和舱室隔板；05甲板以上的分层甲板、小桅和橫桁有各种设备安装其上；01～05甲板之间布置有舱室隔板；大桅焊接在01甲板上。其中02甲板的范围为Fr101-Fr158,03甲板范围为Fr103-Fr158，04甲板范围为Fr104-Fr142，05甲板范围为Fr106-Fr141。桅杆结构在01甲板下Fr121和Fr143分别设有横舱壁。

2)基于Patran软件[1]建立实船桅杆有限元模型，坐标系采用右手坐标系的总体坐标系，其中x轴正方向指向船艉，y轴正方向指向右舷，z轴正方向垂直向上。单元类型中板单元模拟桅杆结构的甲板板、舷侧板、舱室隔板、桅杆围板、桅杆内部分层甲板、小桅板、横桁板，以及起加强作用的肘板等结构；梁单元模拟甲板纵骨、甲板纵桁、甲板横骨、甲板强横梁、舷侧肋骨、强肋骨、大桅围板和舱室隔板的加强筋等结构；质量单元用于模拟安装在小桅、横桁、大桅内部甲板以及桅杆围板上的设备。桅杆结构的边界条件[2]为01甲板边界以及在肋位Fr121和Fr143处取为简支。见图1。

图1 实船桅杆有限元模型

3)为了使简化后的模型有参照标准，振动[3-4]方面采用实船桅杆结构(桅杆原型)整体一阶横向振动、整体一阶纵向振动、整体一阶扭转振动以及平台振动的模态和振型，见图2，表1。

表1 桅杆原型的振动频率 Hz

图2 桅杆原型一阶横向振动f=12.616 Hz

通过在07甲板和桅杆顶板各节点处分别沿x方向和y方向施加10 kN的力，求得对应方向的整体位移进而可以求得模型分别在x方向和y方向的结构刚度[5-6](以下简化模型也采用相同的方法)。见图3、表2。

图3 桅杆原型在顶板处位移x=3.104 mm

位移/mmxy刚度/(N·mm-1)xy3.1043.8633 157.2162 536.888

2 桅杆结构的简化

2.1 艉段甲板

基于大桅一边界在01甲板底下即肋位Fr143设有一道横舱壁，理论上使得Fr143肋位后的甲板对桅杆结构影响甚小，因此简化肋位Fr143-Fr158艉段甲板结构，从振动和结构刚度两方面与桅杆原型对比,见图4、表3、4。

从表3、4分析，简化肋位Fr143-Fr158艉段甲板后其结构性能和桅杆原型相差极小，基本可以忽略不计，因此简化肋位Fr143～Fr158艉段甲板是可行的。

图4 简化艉段甲板后的有限元模型

表4 简化艉段甲板模型与桅杆原型结构刚度对比

2.2 分层甲板

简化后的模型有02～05共4层甲板。考虑以后缩尺模型的制作，在不影响桅杆整体结构性能的前提下尽量简化模型，因此讨论4层甲板简化的可行性。共建立4个模型即大桅主体(包括小桅和橫桁)+01甲板、大桅主体+01～02甲板、大桅主体+01～03甲板以及大桅主体+01～04甲板，同样从振动及结构刚度两方面与桅杆原型对比(鉴于图数量较多，只显示了各分层甲板的有限元模型图，而省略了其对应的振型图和位移图)。见图5～8及表5～12。

图5 模型1：大桅主体+01甲板

表6 模型1与桅杆原型结构刚度对比

图6 模型2：大桅主体+01～02甲板

表8 模型2与桅杆原型结构刚度对比

图7 模型3：大桅主体+01～03甲板

表10 模型3与桅杆原型结构刚度对比

图8 模型4：大桅主体+01～04甲板

表12 模型4与桅杆原型结构刚度对比

由表3～12可见，振动方面，对于整体振动，随着分层甲板的增多，振动频率在增大，而与桅杆原型比较的误差也在减小；对于局部平台振动，各模型相对原型误差都比较小；结构刚度方面，随着分层甲板的增多，桅杆结构x方向和y方向的结构刚度相比原型的误差在减小。以上两方面说明外围分层甲板对于桅杆结构性能至关重要，每层都需要予以保留。

2.3 外围甲板舱室隔板

01～05甲板每两层之间的层高为2.45 m，舱室隔板纵横交错布置在其中，根据合同确定缩尺比为1∶6，缩尺模型的层高为0.4 m，这样狭窄的空间不利于舱室隔板的焊接作业。为了分析舱室隔板保留的必要性，建立01～05甲板无舱室隔板有限元模型，从振动和刚度两方面与桅杆原型对比，见图9、表13～14。

图9 01～05甲板无舱室隔板有限元模型

表14 无舱室隔板模型与桅杆原型结构刚度对比

由表13、14可见，无舱室隔板模型与桅杆原型的振动和结构刚度相差较大，误差20%～30%，说明舱室隔板对桅杆结构性能影响作用比较大，舱室隔板同样也需要保留而不能被简化掉。

2.4 外围甲板舱室隔板的等效简化

原方案确定的缩尺比缩尺模型每层甲板之间高度为0.4 m，甲板之间的舱室隔板纵横交错，有些部位无法施焊，这样会影响桅杆模型实验结果。为了解决此问题，将舱室隔板简化成“JHJ”字形，原则为简化前后纵向和横向舱室隔板的长度相等，见图10、11。

图10 等效前01～02甲板间舱室隔板

图11 等效后01～02甲板间舱室隔板

表16 等效舱室隔板模型与桅杆原型结构刚度对比

分析表15、16可见，等效舱室隔板模型与桅杆原型的振动和结构刚度相差都比较小，说明等效舱室隔板对桅杆原型的结构性能影响很小，认为等效简化舱室隔板是可行的。

3 结论

1)作为桅杆(大桅)边界条件的横舱壁，从很大程度上决定了桅杆缩尺模型的纵向长度。大桅的后端生根在肋位Fr143，而此位置甲板底部刚好为横舱壁。简化肋位Fr143以后的结构对桅杆的结构性能影响极小，可以忽略不计，从而使得肋位Fr143最终作为桅杆缩尺模型的边界，由此决定桅杆缩尺模型的长度。

2)桅杆结构的外围分层甲板以及甲板之间的舱室隔板对桅杆结构性能的影响很大，在前期简化过程中此结构必不可少。

3)考虑制作缩尺模型时的焊接局限性等效简化外围分层甲板间的舱室隔板是可行的。等效简化后的舱室隔板模型与桅杆原型结构性能基本一致，从而证明了等效简化的可行性，并且方便了缩尺模型的焊接作业，也为减少焊接工时创造了条件。

[1] 龙 凯，贾长治，李宝峰.Patran 2010与Nastran 2010有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2] 肖 亮,夏利娟，金咸定.桅杆振动计算边界条件研究[J].船舶工程，2005,27(4):45-48.

[3] 金咸定，赵德有.船体振动学[M].上海：上海交通大学出版社，2000.

[4] 郎济才, 姚熊亮，邵长青.船舶筒状桅杆的模态分析[J].舰船科学技术，2006,28(4):26-28.

[5] 张圣坤，韩继文，汪庠宝.船舶计算结构力学[M].上海：上海交通大学出版社，1995.

[6] 陈炜然,陈志坚.船体结构刚度对桅杆振动特性的影响及控制[J].海军工程大学学报，2003,15(6):75-77.